Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan và được kết hợp. Đường trễ bao gồm nhiều mắt trễ có thời gian trễ bằng thời gian một chip Tc. Máy thu dịch định thời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thông tin để giải trải phổ ký hiệu trong vùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch trễ công suất. Với tham khảo lý lịch trễ công suất (bức tranh thể hiện công suất và trễ của các đường truyền) được tạo ra, máy thu chọn các đường truyền có cơng suất vượt ngưỡng để kết hợp RAKE trên cơ sở số lượng bộ tương quan, bộ
ước tính kênh và bộ bù trừ thay đổi pha (được gọi là các ngón máy thu RAKE). Trong trường hợp áp dụng thu phân tập không gian hay phân tập giữa các đoạn ô, lý lịch trễ công suất được tạo ra cho mỗi nhánh và các đường truyền được chọn từ lý lịch trễ công suất suất tổng hợp của tất cả các nhánh. Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ gồm nhiễu của các người sử dụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử dụng, nên giá trị ngưỡng được lập dưạ trên mức công suất tạp âm nền và các đường truyền có SIR hiệu dụng (có cơng suất thu vượt ngưỡng) được chọn. Vì MS chuyển động (hoặc mơi trường truyền sóng thay đổi khi MS cố định), nên vị trí đường truyền (thời gian trễ) được kết hợp RAKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi, máy phải định kỳ cập nhật lý lịch trễ đường truyền và cập nhật các đường truyền được kết hợp RAKE trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này được gọi là tìm kiếm đường truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đường truyền để kết hợp Rake
2.2.6. Tổng kết
Các hệ thống WCDMA được xây dựng trên cơ sở trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao cho phép nhiều đầu cuối di động có thể dùng chung một tần số. Khi này tính trực giao của các mã và trải phổ cho phép một máy thu đầu cuối có thể dễ dàng tách ra được tín hiệu của mình. Do sử dụng chung một tần số nên có thể áp dụng chuyển giao mềm cho WCDMA. Trong chuyển giao mềm một máy di động có thể kết nối đến nhiều trạm gốc trên cùng một tần số nhưng với mã trải phổ khác nhau. Ưu điểm của chuyển giao mềm là khơng làm mất cuộc gọi trong q trình chuyển giao mặc dù nó làm giảm phần nào dụng lượng ơ và tăng thêm tính phức tạp hệ thống. Nhưng cũng vì sử dụng chung một tần số nên có thể xẩy ra hiện tượng gần xa, trong đó máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các người sử dụng khác. Để khắc phục nhược điểm này phải áp dụng điều khiển công suất nhanh cho WCDMA trong đó mày di động gần trạm gốc sẽ được điều chình phát cơng suất thấp hơn máy di động ở xa trạm gốc. Điều khiển công suất nhanh trong
WCDMA được thực hiện 1500 lần trong một giây. Một đặc điểm nữa của WCDMA là các mã ngẫu nhiên hóa mang tính trực giao khá cao nên các đường truyền đến máy thu có độ trễ khác nhau thời gian chip hoặc lớn hơn thời gian này đều độc lập với nhau và vì thế có thể sử dụng phân tập đa đường (hay máy thu RAKE) trong WCDMA. Nguyên tắc của máy thu RAKE là chọn một số đường (một số ngón) có cơng suất thu lớn hơn ngưỡng, đồng chỉnh pha các đường này rồi cộng công suất thu của chúng với nhau. WCDMA
sử dụng hai tầng trải phổ: (1) trải phổ bằng mã định kênh, (2) trải phổ bằng mã nhận dạng nguồn phát. Mã định kênh được xây dựng trên cơ sở mã hệ số trải phổ trực giao khả biến (OVSF), trong đó hệ số trải phổ SF=Rs/Rc với Rs là tốc độ ký hiệu và Rc là tốc độ chip. Mã ngẫu nhiên hóa được cấu trúc từ mã Gold. WCDMA sử dụng điều chế QPSK cho đường xuống và BPSK cho đường lên. Để giảm tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình của tín hiệu điều chế, ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng
2.3. Giao diện vơ tuyến của WCDMA2.3.1. Giới thiệu chung2.3.1. Giới thiệu chung 2.3.1. Giới thiệu chung
WCDMA là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS. W-CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA). Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ô nhỏ (Micro và Pico). Hiện nay mới chỉ có WCDMA/FDD được triển khai vì thế ta sẽ chỉ xét WCDMA/FDD. Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong
dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz. Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5MHz với nấc tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác.Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần.
Giao diện vô tuyến của W-CDMA/FDD (để đơn giản ta sẽ bỏ qua ký hiệu FDD nếu khơng xét đến TDD) hồn tồn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vơ tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế.
Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA. Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA. Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA. Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA.W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình. Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM.Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý. Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thơng tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải. Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ. Ngoài ra kênh vật
lý đường lên cịn được đặc trưng bởi góc pha. Trong phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ xét giao diện vơ tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này. Cấu trúc mạng WCDMA bao gồm 2 khối chức năng chính là khối chức năng chuyển mạch gói PS và gói chức năng chuyển mạch kênh CS. Các giao diện vô tuyến là phương tiện để các khối chức năng giao tiếp với nhau.
Mơ hình mạng 3G chia thành 2 tầng : Tầng truy nhập và Tầng không truy nhập.Tầng truy nhập bao gồm các thủ tục xử lý giao tiếp giữa thiết bị người sử dụng UE với mạng truy cập.
Tầng không truy cập chứa các thủ tục xử lý giao tiếp giữa UE với mạng lõi (Khối chức năng PS/CS) tương ứng.
2.3.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của giao diện vơ tuyến WCDMA/FDD
Hình 2.22 - Kiến trúc giao thức vơ tuyến cho UTRA FDD
Ngăn xếp giao thức của giao diện vơ tuyến bao gồm 3 lớp giao thức:
• Lớp vật lý (L1). Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều chế và mã hóa, trải phổ v.v..
• Lớp liên kết nối số liệu (L2). Lập khn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp
• Lớp mạng vơ tuyến (L3). Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến
Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng. Đường không liền nét thể hiện các giao diện điều khiển, qua đó giao thức RRC điều khiển và lập cấu hình các lớp dưới. Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá/đa phương ).Lớp 3 và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane) và mặt phẳng người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U.Trong mặt phẳng C lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) kết cuối tại RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management), quản lý di động GMM (GPRS Mobility Management), quản lý phiên SM (Session Management) kết cuối tại mạng lõi (CN).
Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp cao trên giao diện vơ tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý.
này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý.
2.3.3. Các kênh của WCDMA
Các kênh của WCDMA được chia thành các loại kênh sau đây:
Kênh vật lý (PhCH). Kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến. Mỗi
PhCH có một trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác. Một người sử dụng tích cực có thể sử dụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai. Kênh riêng là kênh PhCH dành riêng cho một UE còn kênh chung được chia sẻ giữa các UE trong một ô.
Kênh truyền tải (TrCH) : Là các kênh được cung cấp từ lớp con vật lý
đến lớp con MAC,nó được phân loại theo khn và được định rõ đặc tính theo cách truyền và loại thông tin được truyền qua giao diện vô tuyến.Các kênh TrCH được sắp xếp lên các PhCH.
Kênh Logic (LoCH) : Là các kênh được cung cấp từ lớp con MAC đến
lớp con RNC, nó được phân loại theo chức năng của tín hiệu truyền dẫn và các đặc tính logic của chúng và được gọi tên theo nội dung mà nó truyền.
2.3.3.1. Các kênh logic (LoCH)
Nói chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 - Danh sách các kênh logic
2.3.3.2. Các kênh truyền tải, TrCH
Các kênh truyền tải có nhiệm vụ truyền thơng tin giữa phân lớp MAC với lớp vật lý. Các kênh truyền tải được phân loại chung thành 2 nhóm : các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm các người sử dụng trong ơ, cịn kênh kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung).
Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng) Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một UE. Bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao. Các kênh riêng hỗ trợ chuyển giao mềm.
Kênh truyền tải chung có thể được áp dụng cho tất cả các người sử dụng trong ô hoặc cho một người hoặc nhiều người đặc thù. Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này khơng cần có địa chỉ. Chẳng hạn kênh BCH để phát thông tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong ô. Khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (trong bản tin sẽ được phát). Kênh PCH là kênh truyền tải chung được sử dụng để tìm gọi một UE đặc thù sẽ chứa thông tin nhận dạng người sử dụng bên trong bản tin phát.Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dược cho ở bảng 2.2.
Bảng 2.2 - Danh sách các kênh truyền tải
2.3.3.3. Các kênh vật lý
Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý (Physical Channel) bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 2.23 và bảng 2.3.
Hình 2.23 - Tổng kết các kênh vật lý đường lên
Hình 2.24 - Tổng kết các kênh vật lý đường xuốngBảng 2.3 - Danh sách các kênh vật lýBảng 2.3 - Danh sách các kênh vật lý Bảng 2.3 - Danh sách các kênh vật lý
2.3.4. Tổng kết về cơng nghệ truy nhập vơ tuyến trong WCDMA
•WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ dãy trực tiếp băng rộng DS-CDMA, nghĩa là các bit thông tin được trải ra trong một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu người dùng với các bit giả ngẫu nhiên (gọi là chip), các bit này xuất phát từ các mã trải phổ CDMA. Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên tới 2Mbps), cần sử dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau.
•WCDMA có tốc độ chip là 3.84 Mcps dẫn đến băng thơng của sóng mang xấp xỉ 5MHz, nên được gọi là hệ thống băng rộng. Còn các hệ thống DS- CDMA với băng tần khoảng 1 MHz như IS-95, thường được gọi là hệ thống CDMA băng hẹp. Băng thơng rộng của sóng mang WCDMA hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao của người dùng và đem lại những lợi ích hiệu suất xác định, như là tăng khả năng phân tập đa đường. Các nhà vận hành mạng có thể sử dụng nhiều sóng mang 5MHz để tăng dung lượng, có thể bằng cách sử dụng các lớp tế bào phân cấp. Khoảng cách giữa các sóng mang thực tế có thể được chọn là lưới 200KHz trong khoảng 4.4 – 5Mhz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
•WCDMA hỗ trợ tốt các tốc độ dữ liệu người dùng khác nhau hay nói cách khác là hỗ trợ tốt đặc tính băng thơng theo u cầu (BoD). Mỗi người sử dụng được cấp các khung có độ rộng 10ms, trong khi tốc độ người sử dụng được giữ không đổi. Tuy nhiên dung lượng người sử dụng có thể thay đổi giữa các khung. Việc cấp phát nhanh dung lượng vô tuyến thông thường sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thông lượng tối ưu cho các dịch vụ dữ liệu gói.