2.2.1 Cấu trúc kênh vật lý đường lên
Hình 2.1. Tổng kết các kênh vật lý đường lên
Một kênh vật lý chỉ sử dụng một mã định kênh liên quan đến hệ số trải phổ SF dành cho kênh này. Khi chỉ cần truyền một kênh DPDCH đường lên, mã định kênh sẽ là Sch,SF,k trong đó k = SF/4. Vì thế nếu một kênh có tốc độ ký hiệu là 30 kbit/s (gồm tốc độ số liệu của người sử dụng cộng phần bổ sung do mã hóa kênh) thì hệ số trải phổ bằng 128 và k = 32 hay mã định kênh là Cch,128,32 . Hệ số trải phổ của kênh
DPCCH đường lên luôn luôn bằng 256 và mã định kênh của kênh này là Cch,256,0 .
Khi nhiều kênh DPDCH đường lên được phát (với tốc độ số ký hiệu960 kbit/s chẳng hạn), thì mỗi kênh DPDCH có hệ số trải phổ bằng 4 và mã định kênh cho mỗi kênh là Cch,4,k . Trong đó k = 1 cho kênh DPDCH1 và DPDCH2 , k = 2 cho DPDCH3 và
DPDCH4 , k = 3 cho DPDCH5 và DPDCH6 , chẳng hạn DPDCH3 và DPDCH4 , đều sử
dụng chung mã định kênh Cch,4,2 = (1,-1,1,-1). Ta thấy trong trường hợp này hai kênh DPDCH cùng sử dụng chung một mã định kênh . Vì thế để phân biệt hai kênh này một kênh được truyền ở nhánh I và một kênh được truyền ở nhánh Q hay còn được gọi là ghép kênh mã I – Q . Về vấn đề này ta sẽ xét ở phần dưới. Khi sử dụng các mã định kênh ta cũng cần lưu ý là trong cùng một cây mã các nã này phải được chọn sao cho chúng trực giao với nhau.
Kênh vật lý đường lên(UPCH)
Kênh UPCH chung Uplink CPCH Kênh(Uplink DPCH) UPCH riêng Kênh vật lý gói chungPCPCH Kênh vật lý RACH ,PRACH Kênh vật lý riêng đièu khiểnDPCCH Kênh vật lý số liệu riêng DPDCH
2.2.2 Hoạt động của kênh vật lý đường lên
2.2.2.1 Kênh vật lý số liệu riêng (DPDCH) đường lên
Kênh DPCH đường lên bao gồm kênh DPDCH và kênh DPCCH được ghép theo mã I và Q để mang kênh truyền tải riêng DCH, nó có cấu trúc khung vô tuyến như cho ở hình 2.3 và bảng 2.1. Mỗi kênh vật lý được chia thành các khung vô tuyến 10 ms (tương ứng 38400 chip) và mỗi khung lại được chia thành 15 khe thời gian (tương ứng 2560 chip) như cho ở hình 2.2. Ngoài cấu trúc khung như ở hình 2.2, các kênh này còn có cấu trúc siêu khung gồm 72 khung với độ dài 720 ms. Kênh DPDCH mang ở nhánh điều chế BPSK đồng pha, còn kênh DPCCH được mang ở nhánh điều chế BPSK pha vuông góc.
Kênh truyền tải riêng đường lên (DCH) là kênh riêng duy nhất ở đường lên. Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý và dành riêngcho một người sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao. Lớp vật lý không thể nhận biết nội dung thông tin được mang ở kênh DCH, vì thế thông tin điều khiển lớp cao và số liệu của người sử dụng được xử lý như nhau. Các thông số của lớp vật lý do UTRAN thiết lập có thể thay đổi giữa số liệu và điều khiển.
Hình 2.2 Cấu trúc khung vô tuyến kênh vật lý
Ammaline Khaosaoth-Lớp D06VT2 25
Khe#i
Khe#i Khe#14Khe#14 Khe#1
Khe#1 Khe#0
Khe#0
Tkhe = 2560 chip
Hình 2.3. Cấu trúc khung vô tuyến cho DPDCH/DPCCH
Cấu trúc các trường của kênh DPDCH đường lên cho các tốc độ số liệu khác nhau được cho ở bảng 2.1.
Bảng 2.1 Các trường của DPDCH đường lên
Khuôn dạng khe #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh (kbit/s) SF Số bit/ khung Số bit/ khe Nsố liệu 0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 4 240 240 16 2400 160 160 5 480 480 8 4800 320 320 6 960 960 4 9600 640 640 6 mã song song 5760 6760 4 9600 640 640
Lưu ý: Tốc độ số liệu cực đại của người sử dụng với tỷ lệ mã hoá kênh bằng 1/2
Số liệu N số liệu bit
TFCI
NTFCI bit FBINFBI bit TPCNTPC bit
Hoa tiêu Nhoa tiêu bit
Tkhe = 2560 chip, 10*2k bit(k=0....6)
Khe#0 Khe#1 Khe#i Khe#14
Một khung vô thuyến: Tf = 10 ms
DPCCH DPDCH
Thông số xác định tổng số bit trong mỗi khe của DPCP. Quan hệ của nó với hệ số trải phổ như sau: SF = 256/2k. Vì k = 0, 1, ....,6 nên hệ số trải phổ của nó có thể thay đổi từ 256 đến 4. Các mẫu bit hoa tiêu khác nhau của các khe trong một khung cho phép BS nhận dạng được biên giới khung và vị trí hiện thời trong một khung. Các bit TPC từ UE để điều khiển công suất phát BS theo bước điều khiển được mạng quy định (1 ÷ 2 dB). Mã hoá kênh không thực hiện cho TPC để tránh trễ. Khi các bit TPC bằng 1 để yêu cầu BS tăng công suất, trái lại các bit TPC bằng 0 yêu cầu BS giảm công suất. Khi NTFCI = 0 BS thực hiện tách sóng mù.
Các kênh quen thuộc ở GSM: kênh lưu luợng (TCH) hay điều khiển liên kết (ACCH) không tồn tại ở lớp vật lý UTRA. Kênh truyền tải riêng mang cả số liệu dịch vụ (chẳng hạn các khung tiếng) và thông tin điều khiển lớp cao hơn; các lệnh chuyển giao và các báo cáo đo đạc từ UE. Có thể coi DCH là kết hợp của TCH và ACCH ở GSM. Nhờ việc hỗ trợ tốc độ bit thay đổi và ghép kênh nên ở W-CDMA không cần kênh truyền tải tách riêng cho các loại kênh này.
Kênh truyền tải riêng được đặc trưng bởi các tính năng như: điều khiển công suất nhanh, thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo từng khung và khả năng phát đến một phần ô hay một đoạn ô bằng cách thay đổi hướng tính ăng-ten của hệ thống ăng-ten thích ứng. Các kênh truyền tải riêng hỗ trợ chuyển giao mềm.
Thông tin điều khiển lớp vật lý được mang bởi kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) có tốc độ số liệu cố định 15 kbit/s và hệ số trải phổ cố định bằng 256. Thông tin lớp cao hơn bao gồm số liệu của người sử dụng được mang ở kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) với dải hệ số trải phổ từ 256 đến 4. Truyền dẫn đường lên có thể gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) với hệ số trải phổ thay đổi và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH) duy nhất với hệ số trải phổ cố định.
Tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Thông thường đối với dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo ở kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện thời được phát ở TFCI. Nếu giải mã TFCI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Vì TFCI chỉ thị khuôn dạng số liệu của một khung nên việc mất TFCI không ảnh hưởng lên các khung khác. Độ tin cậy của TFCI cao hơn độ tin cậy của việc phát hiện số liệu của người sử dụng ở kênh DPDCH. Vì thế ít khi xảy ra mất TFCI,
DPCCH sử dụng cấu trúc khe với 15 khe trên một khung vô tuyến 10 ms. Điều này dẫn đến 2560 chip sẽ có độ rộng là 666 µs. Như vậy độ rộng khe trong W-CDMA rất gần với độ rộng khe bằng 577 µs ở GSM. Mỗi khe có bốn trường dành cho: các bit hoa tiêu, TFCI, các bit điều khiển công suất phát (TPC) và các bit thông tin phản hồi (FBI). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống, các bit này hướng dẫn BTS đồng chỉnh công suất và pha của các ăng-ten phân tập
phát. Có tất cả 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường lên. Tồn tại các tuỳ chọn sau: 0, 1 hay 2 bit cho FBI và có hoặc không có các bit TFCI. Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPCCH.
Khi cần tốc độ số liệu cao hơn, cần sử dụng nhiều kênh mã song song. Được phép sử dụng 6 kênh mã để nâng tốc độ bit kênh cho truyền số liệu lên 5740 kbit/s. Nhờ vậy có thể đảm bảo được tốc độ số liệu của người sử dụng 2 Mbit/s hay thậm chí cao hơn nếu tỷ lệ mã hoá kênh là 1/2.
Kênh được ngẫu nhiên hoá phức bởi các mã khác nhau. Tồn tại (224) mã ngẫu
nhiên hoá. Mã ngẫu nhiên hoá này có thể dài hoặc ngắn. Mã ngắn được thiết kế trước hết cho các BS sử dụng các kỹ thuất tách sóng đa người sử dụng (MUD). Các mã dài là các đoạn 38400 chip của các mã Gold có độ dài bằng độ dài một khung: 10 ms.
2.2.2.2 Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên PRACH
Kênh PRACH để mang kênh RACH. Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) là kênh truyền tải đường lên được sủ dụng để mang thông tin điều khiển từ UE như: yêu cầu thiết lập một kết nối. Cũng có thể sử dụng kênh này để phát đi các cụm nhỏ số liệu gói từ UE trong thời gian từ 10 đến 20 ms. Để hoạt động đúng hệ thống phải thu được kênh truy nhập ngẫu nhiên từ toàn bộ cùng phủ của ô. Điều này cũng có nghĩa rằng tốc độ số liệu thực tế phải đủ thấp, ít nhất là đối với truy nhập hệ thống lần đầu và các thủ tục điều khiển khác.
Phát truy nhập ngẫu nhiên (RACH) dựa trên phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh. UE có thể khởi đầu phát tại một số dịch thời quy định trước ký hiệu là các khe truy nhập. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và chúng cách nhau 5120 chip. Hình 2.8 cho thấy số thứ tự khe truy nhập và khoảng cách giữa chúng. Các lớp cao cung cấp thông tin về các khe truy nhập sử dụng ở ô hiện thời.
Hình 2.4. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng
Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên được cho ở hình 2.5. Phát truy nhập ngẫu nhiên gồm một hay nhiều tiền tố truy nhập dì 4096 chip tương ứng với 256 lần lặp của một mã Walsh 16 chip (chữ ký) và một bản tin dài 10 hay 20 ms. UE thông báo độ dài của phần bản tin cho mạng bằng các chữ ký riêng và (hoặc) các khe truy nhập. Các lớp cao hơn sẽ quy định chữ ký và khe thời gian truy nhập nào được sử dụng cho độ dài bản tin nào. UE lựa chọn một trong số 16 chữ ký này trước khi thử truy nhập. Trước khi phát bởi UE, tiền tố được ngẫu nhiên hoá phức bởi mã ngẫu nhiên dài đường lên.
#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14
5120 chip
Khung vô tuyến:10 ms Khung vô tuyến:10 ms
Khe truy nhập #0 Khe truy nhập #1 Khe truy nhập #7 Khe truy nhập #8 Khe truy nhập #14
Phát truy nhập ngẫu nhiên Phát truy nhập ngẫu nhiên
Phát truy nhập ngẫu nhiên Phát truy nhập ngẫu nhiên
Hình 2.5. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên
Hình 2.5 mô tả cấu trúc khung vô tuyến của kênh PRACH để truyền dẫn phần bản tin của RACH. Khung vô tuyến phần bản tin 10 ms được chia thành 15 khe, mối
khe dài Tkhe = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần: phần số liệu mang thông tin lớp 2 và
phần điều khiển mang thông tin lớp 1. Phần bản tin dài 20 ms gồm hai khung vô tuyến liên tiếp của phần bản tin. Phần số liệu gồm 10 × 2k bit, trong đó k = 0, 1, 2, 3; tương ứng với hệ số trải phổ là 256, 128, 64 và 32 cho phần bản tin và tốc độ bit kênh thay đổi từ 15 đến 120 kbit/s. Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu biết trước để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán và 2 bit TFCI; tương ứng với hệ số trải phổ 256 và tốc độ bit là 15 kbit/s. Tổng số bit TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 15 × 2 = 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời. Mẫu 8 bit hoa tiêu thay đổi theo từng khe và lặp lại theo khung.
Hoạt động của RACH không bao hàm điều khiển công suất, vì thế để đảm bảo mức công suất hợp lý, các tiền tố được phát với công suất tăng dần theo từng nấc, thủ tục này chỉ hợp lý cho một thời gian ngắn (một hoặc hai khung phụ thuộc vào môi trường).
Sau khi các tiền tố RACH được BTS phát hiện, nó được công nhận bằng kênh chỉ thị bắt (AICH) được phát xuống từ BTS. Sau đó phần bản tin của RACH (10 ms hoặc 20 ms) mới được phát
Tiền tố
Tiền tố Tiền tố
Tiền tố Tiền tố
Tiền tố Phân bản tin Phân bản tin
20 ms (02 khung vô tuyến) 4096 chip
Hình 2.6. Cáu trúc khung vô tuyến phần bản tin của RACH
2.2.2.3 Kênh vật lý gói chung đường lên, PCPCH
Kênh PCPCH dùng để mang kênh truyền tải CPCH. Kênh gói chung đường lên (CPCH) là một mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát các cụm số liệu ở đường lên mà không cần sử dụng DCH. CPCH thường được sử dụng cho các cụm số liệu ngắn ít xảy ra, còn DCH thích hợp cho các cụm số liệu dài hoặc các cụm số liệu ngắn thường xuyên xảy ra. FACH ở đường xuống cùng với kênh này tạo nên cặp kênh để truyền số liệu. Ở lớp vật lý các điểm khác nhau chính so với RACH là việc sử dụng điều khiển công suất nhanh vòng kín, cơ chế phát hiện xung đột trên cơ sở vật lý và thủ tục giám sát trạng thái CPCH. Khác với một hoặc hai khung của bản tin RACH, truyền dẫn CPCH đường lên có thể kéo dài nhiều khung. CPCH đi cặp với DPCCH đường xuống để cung cấp thông tin điều khiển công suất nhanh. Ngoài ra mạng cũng có một tuỳ chọn để thông báo cho các đầu cuối phát 4 tiền tố điều khiển công suất trướcc khi phát thực sự. Trong một số trường hợp điều này có lợi vì nó cho phép thực hiện điều khiển công suất trước khi phát số liệu thực sự.
Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA-CD (CD - Collision Detection: Phát hiện xung đột) với chỉ thị bắt nhanh. UE có thể khởi đầu phát tại các dịch thời so với biên giưới khung thu kênh BCH ở ô hiện thời được định nghĩa rõ ràng. Cấu trúc và định thời khe truy nhập ngẫu nhiên giống như đối với RACH ở phần trước. Cấu trúc của phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH được cho ở hình 2.11. Phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH gồm một hay nhiều tiền tố truy nhập [A - P] dài 4096 chip, một tiền tố phát hiện xung đột [CD - P] dài 4096 chip, một tiền tố điều khiển công suất (PC – P) dài từ 0 đến 8 khe và một bản tin có độ dài khả biến N × 10 ms. Tiền tố phát hiện xung đột
Số liệu Nsố
liệu bit
Khe #0 Khe#1 Khe#i Khe#14
TFCI NTFCI bit Hoa tiêu Nhoa tiêu bit
Số liệu
Điều khiển
Tkhe = 2560 chip, 10*2k bit(k=0,....,3)
để thông báo cho các UE khác không phát các gói của mình trên cùng PCPCH tại thời điểm này.
Hình 2.7. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH
Tiền tố truy nhập và tiền tố xung đột đã được xét giống với được xem xét giống như ở kênh RACH đã xét ở trên. Trong thời gian phát 8 khe, kênh DPCCH đường lên chứa các hoa tiêu, các bit FBI và TPC, còn kênh DPCCH đường xuống sẽ điều khiển công suất nhanh (mỗi nấc đặc thù đến mức công suất vừa đủ để tránh gây nhiễu cho truyền dẫn của các UE khác đến BTS. Sau tiền tố này số liệu sẽ được phát thực sự.
Phần bản tin CPCH có cấu trúc khung. Mỗi bản tin gồm số khung 10 ms lên đến N_Max_frames. N_Max_frames là thông số của lớp cao hơn. Mỗi khung 10 ms chia
thành 15 khe dài Tkhe = 2560 chip, mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang thông
tin lớp cao và phần điều khiển mang thông tin lớp thấp. Các phần số liệu và điều khiển được phát đồng thời.
Phần số liệu gồm 10 × 2k bit, trong đó k = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, tương ứng với các