Hình 3.13 cho thấy sơ đồ khối của máy phát vơ tuyến (hình 3.13a) và máy thu vơ tuyến (3.13b) trong W-CDMA. Lớp 1 (lớp vật lý) bổ sung CRC cho từng khối truyền tải (TB: Transport Block) là đơn vị số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC để phát hiện lỗi ở phía thu. Sau đó số liệu được mã hố kênh và đan xen. Số liệu sau đan xen được bổ sung thêm các bit hoa tiêu và các bit điều khiển công suất phát (TPC: Transmit Power Control)), được sắp xếp lên các nhánh I và Q của QPSK và được trải phổ hai lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hoá). Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hoá được giới hạn trong băng tần 5 MHz bằng bộ lọc Niquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi vào tương tự bằng bộ biến đổi số vào tương tự (D/A) để đưa lên điều chế vng góc cho sóng mang. Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vơ tuyến (RF) trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuyếch đại trước khi chuyển đến anten để phát vào không gian.
Tại phía thu, tín hiệu thu được bộ khuyếch đại đại tạp âm thấp (LNA) khuyếch đại, được biến đổi vào trung tần (IF) thu rồi được khuyếch đại tuyến
thành phần này được biến đổi vào số tại bộ biến đổi A/D, được lọc bởi bộ lọc Nyquist cosine tăng căn hai và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau. Máy thu RAKE chọn các thành phần lớn hơn một ngưỡng cho trước). Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp bởi bộ kết hợp máy thu RAKE, tín hiệu tổng được giải đan xen, giải mã kênh (giải mã sửa lỗi), được phân kênh thành các khối truyền tải TB và được phát hiện lỗi. Cuối cùng chúng được đưa đến lớp cao hơn.
Hình 3.13. Sơ đồ khối máy phát tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 3.8. PHÂN TẬP PHÁT
lên và vùng phủ sóng. Do giá thành và khơng gian chiếm lớn, phân tập anten thu không phổ biến tại máy đầu cuối. Để khắc phục nhược điểm này WCDMA sử dụng phân tập phát cho máy đầu cuối. Tồn tại hai kỹ thuật phân tập phát ở WCDMA: Phân tập vịng hở và phân tập vịng kín.
3.8.1. Phân tập vòng hở
Phân tập phát vòng hở sử dụng bộ mã hóa được gọi là STTD (Space time
Transmit Diversity: phân tập phát không gian thời gian). Sơ đồ máy phát và máy thu sử dụng STTD được cho trên hình 3.14a và 3.14b.
MF: Matched Filter: Bộ lọc phối hợp
1 2 1 2 2 1 x x (x , x ) x x X (3.1)
trong đó cột 1 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 1 còn cột 2 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 2. Các ký hiệu này là các ký hiệu điều chế QPSK (xem hình 3.15).
Hình 3.15. Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2.
3.8.2. Chế độ vịng kín
R3 và R4 sử dụng hai khái niệm phân tập phát vịng kín. Trong cả hai chế độ này, thông tin đồng chỉnh pha được phát trên một kênh hồi tiếp nhanh (tốc độ 1500 bps) cho phép chọn 4 hoặc 16 khả năng trọng số búp sóng. Cả hai khái niệm này đều có thể coi là truyền dẫn nhất quán (tạo búp thích ứng kênh) với sử dụng cân bằng kênh và các chiến lược báo hiệu hồi tiếp khác nhau. Kiến trúc máy phát và máy thu nút B được cho trên hình 3.16a và 3.16b.
Hình 3.16. Phân tập phát vịng kín của WCDMA
Trong cả hai chế độ trọng số phát được lựa chọn theo thủ tục dưới đây:
Đầu cuối đo các kênh hoa tiêu chung CPICH1 và CPICH2 được phát trên anten 1 và anten 2.
Đầu cuối nhận được ước tính kênh cho đường truyền h1 và h2
Vectơ trọng số phát cần thiết W(w1, w2) được xác định, được lượng tử và được gửi đến BTS trong trường FBI của kênh DCCH.
CDMA rất nhạy cảm với điều khiển công suất: để hệ thống WCDMA hoạt động bình thường, cần có một cơ chế điều khiển cơng suất tốt để duy trì tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) tại mức cho phép. Vì nhiều người sử dụng cùng truyền đồng thời trên cùng một tần số, nên mức nhiễu phụ thuộc vào số lượng người sử dụng.
Tồn tại hai kiểu điều khiển công suất:
1. Điều khiển cơng suất vịng hở: cho các kênh chung
2. Điều khiển cơng suất vịng kín: cho các kênh riêng DPDCH/DPCCH và chia sẻ DSCH
Điều khiển công suất vòng hở thường được UE trước khi truy nhập mạng và nút B trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến sử dụng để ước lượng công suất cần phát trên đường lên dựa trên các tính tốn tổn hao đường truyền trên đường xuống và tỷ số tín hiệu trên nhiễu u cầu.
Điều khiển cơng suất vịng kín có nhiêm vụ giảm nhiễu trong hệ thống bằng cách duy trì chất lượng thơng tin giữa UE và UTRAN (đường truyền vô tuyến) gần nhất với mức chất lượng tối thiểu yêu cầu đối kiểu dịch vụ mà người sử dụng đòi hỏi.
Điều khiển cơng suất vịng kín bao gồm hai phần: điều khiển cơng suất nhanh vòng trong tốc độ 1500 Hz và điều khiển công suất chậm vịng ngồi tốc độ 10-100Hz.
Dựa trên tính tốn của PC vịng hở, UE thiết lập các công suất ban đầu cho tiền tố kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý (PRACH). Trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên (xem phần 3.5.4), UE thiết lập công suất phát tiền tố đầu tiên như sau:
Preamble_Initial_power = CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP + UL_interference + UL_required_CI (3.2)
trong đó CPICH_Tx-power là cơng suất phát của P-CPICH, CPICH _RSCP là công suất P-CPICH thu tại UE, CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP là ước tính suy hao đường truyền từ nút B đến UE. UL_interferrence (được gọi là ‘tổng công suất thu băng rộng’) được đo tại nút B và được phát quảng bá trên BCH,
UL_required_CI là hằng số tương ứng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu được thiết
lập trong q trình quy hoạch mạng vô tuyến.
3.9.2. Điều khiển công suất vịng kín đường lên
Hình 3.17. Ngun lý điều khiển cơng suất vịng kín đường lên 3.9.2.1. Điều khiển cơng suất vịng trong đường lên
Phương pháp điều khiển cơng suất nhanh vịng kín lên như sau (xem hình 3.17). Nút B thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu được (SIR= Signal to Interference Ratio) trên hoa tiêu đường lên trong UL DPCCH và so sánh nó với tỷ số SIR đích (SIRđích). Nếu SIRướctính cao hơn SIRđích thì nút B thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC=0 để lệnh UE hạ thấp cơng suất (Tùy vào thiết lập cấu hình: 1dB chẳng hạn) , trái lại nó thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC=1 để ra lệnh UE tăng công suất (1dB chẳng hạn). Chu kỳ đo-lệnh-phản ứng này được thực hiện 1500 lần trong một giây (1,5 KHz) ở W-CDMA. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đường truyền và thậm chí có thể nhanh hơn phađinh nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp.
3.9.2.2. Điều khiển công suất vịng ngồi đường lên
Điều khiển công suất vịng ngồi thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở nút B cho phù hợp với yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ số khung lỗi (FER= Frame Error Rate). Lý do cần đặt lại SIRđích như sau. SIR yêu cầu (tỷ lệ với Ec/N0) chẳng hạn là FER=1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường. Nếu ta đặt SIRđích đích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc cao độ nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy tốt nhất là để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng được yêu
liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC. Nếu kiểm tra CRC cho thấy BLERướctính> BLERđích thì SIRđích sẽ bị giảm đi một nấc bằng
SIR, trái lại nó sẽ được tăng lên một nấc bằng SIR. Lý do đặt điều khiển vịng
ngồi ở RNC vì chức năng này thực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm.
3.9.3. Điều khiển công suất vịng kín đường xuống
Điều khiển cơng suất vịng kín được minh họa trên hình 3.18. UE nhận được BLER đích từ lớp cao hơn do RNC thiết lập cùng với các thơng số điều khiển khác. Dựa trên BLER đích nhận được từ RNC, nó thực hiện điều khiển cơng suất vịng ngồi bằng cách tính tốn SIR đích cho điều kiển cơng suất vịng kín nhanh đường xuống. UE ước tính SIR đường xuống từ các ký hiệu hoa tiêu của DL DPCCH . Ước tính SIR này được so sánh với SIR đích. Nếu ước tính này lớn hơn SIR đích, thì UE thiết lập TPC=0 trong UL DPCCH và gửi nó đến nút B, trái lại nó thiết lập TPC=1. Tốc độ diều khiển cơng suất vịng trong là 1500Hz
Hình 3.18. Ngun lý điều khiển cơng suất vịng kín đường xuống
3.10. CÁC KIỂU CHUYỂN GIAO VÀ CÁC SỰ KIỆN BÁO CÁO TRONG WCDMA
Chuyển giao là q trình được thực hiện khi UE đã có kết nối vơ tuyến để duy trì chất lượng truyền dẫn. Trong WCDMA có thể có chuyển giao cừng hoặc chuyển giao mềm.
3.10.1. Chuyển giao cứng
Chuyển giao cứng (HHO: Hard Handover) của WCDMA cũng giống như của GSM. UE chỉ nối đén một nút B. Khi thực hiện HO đến một nút B khác, kết nối đến nút B cũ được giải phóng.
Tất cả các kết nối sử dụng kênh FACH (kênh không sử dụng điều khiển cơng suất và dành cho các gói ngắn) hay DSCH (kênh phù hợp nhất cho các dịch vụ chuyển mạch gói) đều sử dụng HHO.
Ngồi ra HHO sử dụng cho:
HO giữa các hệ thống (giữa UTRAN và GSM)
Chuyển giao mềm (hoặc mềm hơn) sử dụng nhiều kết nối từ một UE đến nhiều nút B. Danh sách các nút B tham gia vào kết nối với UE trong chuyển giao mềm/mềm hơn được gọi là “tập tích cực”. Có thể quy định được kích thước cực đại của tập tích cực. Thực chất chuyển giao là q trình trong đó một ơ (đoạn ơ) hoặc được kết nạp vào tập tích cực hoặc bị loại ra khỏi tập tích cực. Định kỳ hoặc tại các sự kiện báo cáo (sự kiện 1A, 1B và 1C chẳng hạn), SRNC nhận được kết quả đo từ UE để đưa ra quyết định chuyển giao. Sau khi quyết định chuyển giao, SRNC giửi bản tin lập lại cấu hình liên kết vơ tuyến đã được đồng bộ đến các nút B liên quan và đồng thời gửi bản tin RRC về lập lại cấu hình kênh vật lý đến UE để các nút B này và UE thực hiện chuyển giao. Chuyển giao mềm cho phép tăng số đường truyền thu được trên đường xuống và đường lên nhờ vậy tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio): Ec/I0 (Ec là năng lượng chip cịn I0 là mật độ phổ cơng suất nhiễu) và lượng tăng này được gọi là độ lợi chuyển giao. Sơ đồ tổng quát SHO được cho trên hình 3.19.
Hình 3.19. Thí dụ về giải thuật SHO
Trong thí dụ trong trên hình 3.19 ta sử dụng các sự kiện báo cáo 1A, 1B và 1C.
Từ hình 3.19 ta thấy:
Lúc đầu. Chỉ có ơ 1 và ơ 2 nằm trong tập tích cực
Tại sự kiện A. (Ec/I0)P-CPICH1 > (Ec/I0)P-CPICH3- (R1a-H1a/2) trong đó (Ec/I0)P- CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ơ 1 mạnh nhất, (Ec/I0)P- CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ơ 3 nằm ngồi tập tích
cực, R1a là hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1a là thông số trễ sự kiện và (R1b-H1a/2) 1à cửa sổ kết nạp cho sự kiện 1A. Nếu bất đẳng thức này tồn tại trong khoảng thời gian T thì ơ 3 được kết nạp vào tập tích cực
Tại sự kiện C. (Ec/I0)P-CPICH4 > (Ec/I0)P-CPICH2 +H1c, trong đó (Ec/I0)P-CPICH4
là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ơ 4 nằm ngồi tập tích cực và (Ec/I0)P-CPICH2 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ô 2 tồi nhất trong tập tích cực, H1c là thông số trễ sự kiện 1C. Nếu quan hệ này tồn tại trong thời gian T và tập tích cực đã đầy thì ơ 2 bị loại ra khỏi tập tich cực và ơ 4 sẽ thế chỗ của nó trong tập tích cực
Tại sự kiện B. (Ec/I0)P-CPICH1 < (Ec/I0)P-CPICH3- (R1b+H1b) trong đó (Ec/I0)P-
CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ơ 1 yếu nhất trong tập
tích cực, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ơ 3 mạnh nhất trong tập tích cực và R1b là hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1b là thông số số trễ và (R1b+H1b) là cửa sổ loại cho sự kiện 1C. Nếu quan hệ này tồn tại trong khoảng thời gian T thì ơ 3 bị loại ra khỏi tập tích cực
3.11. CÁC THƠNG SỐ MÁY THU VÀ MÁY PHÁT VƠ TUYẾN CỦA UE
Các thơng số máy thu và máy phát quan trọng trong phần vô tuyến của UE được cho trong bảng bảng 3.2.
Bảng 3.2. Các thông số máy thu và máy phát vô tuyến quan trọng cho phần vô tuyến của UE Các thông số chung Tần số công tác Băng tần I: 2110-2170 MHz Băng tần II: 1930-1990 MHz Băng tần III: 1805-1880 MHz
Phân cách song công chuẩn
Băng tần I: 190 MHz Băng tần II: 80 MHz Băng tần III: 95 MHz
Các thông số máy thu
Băng tần III: - 114dBm
Các thông số máy phát
Loại 1: +33dBm +1/-3dB
Loại 2: +27dBm +1/-3dB
Loại 3: +24dBm +1/-3dB Công suất phát cực đai và
độ chính xác
Loại 4: +21dBm 2dB
Điều khiển cơng suất phát vịng hở
Bình thường: 9dB Cực đai: 12dB
3.12. AMR CODEC CHO W-CDMA
Bộ mã hố tiếng đa tốc độ thích ứng (AMR CODEC: Adaptive Multirate Codec) được coi là công nghệ vượt trội các cơng nghệ mã hố tiếng khác. Vì thế nó được chọn là sơ đồ mã hoá tiếng cho 3GW-CDMA UMTS. Nó cung cấp 8 chế độ mã hố từ 12,2 bps đến 4,75kbps. Trong số các chế độ này, 12,2kbps, 7,4 kbps và 6,7 kbps có chung một giải thuật với các sơ đồ mã hoá tiếng được tiêu chuẩn hoá ở các tiêu chuẩn của các vùng khác trên thế giới. AMC CODEC cho phép lựa chọn tốc độ tùy theo chất lượng kênh truyền sóng. Nếu chất lượng tốt,
tốc độ cao nhất (12,2kbps) được chọn. Nếu đường truyền xấu, một trong số các tốc độ thấp hơn được lựa tùy thuộc vào chất lượng đường truyền.
AMR cũng quy định các công nghệ ngoại vi cần thiết cho thông tin di động. Hai tuỳ chọn được cung cấp là giải thuật VAD (phát hiện tích cực tiếng) và DTX (phát khơng liên tục. Ngồi ra cũng định nghĩa các yêu cầu cho che dấu lỗi khi xẩy ra lỗi. Chẳng hạn nội suy các thông số mã hoá như khuếch đại bảng mã, hệ số dự đoán ngắn hạn cũng được định nghĩa theo sự chuyển đổi trạng thái do lỗi gây ra.
3.13. TỔNG KẾT
Trước hết chương này trình bày ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến và các kênh logic, kênh truyền tải, kênh vật lý được tạo nên ở giao diện này. Sau đó chương trình bày các thơng số lớp vật lý và quy hoạch tần số của WCDMA. Tại Việt- Nam băng I được chia làm bốn khe và được phân cho 4 nhà khai thác. Ngăn xếp giao thức được chia thành hai loại: một trong mặt phẳng C- Plane để truyền báo hiệu và một trong mặt phẳng U-Plane để truyền lưu lượng. Tiếp theo cấu trúc của các kênh này được trình bày cụ thể. Các kênh được chia thành hai loại: kênh điều khiển, báo hiệu và kênh để truyền lưu lượng. WCDMA là giai đoạn phát triển đầu của 3G WCDMA UMTS vì thế việc thiết kế các kênh để truyền lưu lượng vẫn tập trung lên dịch vụ chuyển mạch kênh với kênh được sử dụng cho dịch vụ này là DPCH. Tuy nhiên các kênh dung có chuyển mạch gói cũng đã bắt đầu được chú trọng. DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống), RACH, FACH và CPCH được sử dụng cho mục đích này. Các kênh RACH,
kênh kiểm sốt lỗi. Mã hóa kiểm sốt lỗi được thực hiện ở hai lớp: (1) mã hóa phát hiện lỗi CRC, (2) mã hóa sửa lỗi. Các mã sửa lỗi có thể là mã xoắn hoặc mã turbo. WCDMA sử dụng phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip