2.3.1 Mơ hình trạm gốc
2.3.1.1 Mở đầu
Kiến trúc của hầu hết các trạm gốc vơ tuyến chuyển dịch dần một kiến trúc đặc thù điều chế đến một kiến trúc được định nghĩa rộng bằng phần mềm. Sự thay đổi này cộng với việc chuyển đến tiêu chuẩn các giao diện số bên trong BTS vào OBSAI (Open Base- Station Architecturre Initative: sáng kiến cấu trúc tram gốc mở) và CPRI (Common Public Radio Interface: giao diện vơ tuyến cơng cộng chung) đã thay đổi tận gốc các mơ hình BTS. Giao diện giữa các chức năng tạo dạng sĩng và truyền dẫn dạng sĩng hiện nay phần lớn là số và các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM: Original Equipement Manufacturer) cĩ xu hướng thuê ngồi sản xuất cả phần cứng băng gốc số lẫn phần cứng máy phát thu RF Điều này cho phép OEM rảnh rỗi tập trung vào các lĩnh vực phần mềm lớp ứng dụng và cung cấp dịch vụ phức tạp để tạo nên các khác biệt trong nhiều ứng dụng.
Mơ hình BTS lý tưởng từ quan điểm của OEM phải bao gồm một số lượng nhỏ các khối cơ sở tiêu chuẩn cĩ khả năng nối tầng để tạo nên một giải pháp phần cứng đầy đủ Điều này khơng thể thực hiện được trong quá khứ vì bản chất đặc thù ứng dụng và đặc thù nhà sản xuất các phần tử liên quan Tuy nhiên sự xuất hiện của SDR khiến cho mơ hình này ngày càng được nhiều người chấp nhận.
Phác họa các phần tử tạo tín hiệu điều chế và truyền dẫn của BTS kiểu này được cho trên hình 2.11 Bây giờ ta cĩ thể định nghĩa từng phần tử chính (xử lý tín hiệu số, máy phát được tuyến tính hĩa và bộ lọc song cơng) Trong số các phần tử này, nhiều phần tử đã được các OEM thuê ngồi sản xuất như DSP (Digital Signal Processort: bộ xử lý tín hiệu số), bộ lọc song cơng và cả PA (Power Amplifier: bộ khuếch đại cơng suất) của máy phát Bước cuối cùng của việc kinh doanh SDR là thuê ngồi sản xuất bộ biến đổi nâng tần và bộ tổng hợp tần số như là một phần của giải pháp máy phát được tuyến tính hĩa hồn chỉnh. Hiện nay nhiều BTS OEM (nhà sản xuất gốc BTS) đi theo hướng này để đơn giản hĩa các khía cạnh phần cứng và chuỗi cung ứng cho các giải pháp hạ tầng trạm gốc của họ.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 49
Hình 2.11. Máy phát đâu vào số/ đầu ra RF sử dụng trong trạm gốc SDR
2.3.1.2 Các mơ hình kinh doanh BTS mới dựa trên SDR
Việc tiếp nhận kiến trúc SDR cho BTS đã chuyển dịch giao diện nĩi trên (giao diện giữa phần tạo dạng sĩng và phần truyền dẫn dạng sĩng) đến miền số và dẫn đến đến khái niệm hộp RF đen chứa tất các khía cạnh của RF (máy phát, máy thu) thậm chí cả bộ lọc song cơng mặc dù hiện nay đây vẫn là phần tử riêng biệt. Hệ thống này được minh họa trên hình 2.12 bao gồm một giao diện Đề-các (cos và sin), cũng cĩ thể là một trung tần số hay một giao diện độc cực (biên độ và pha) được sử dụng.
PA: Power Amplifier – Bộ khuếch đại cơng suất
LNA: Low Noise Amplifier – Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
Hình 2.12. Các phần tử của một hệ thống SDR hộp đen RF
Hiện nay, các OEM thường mua module PA từ một hệ thống con của nhà sản xuất ngồi Đây cũng được coi là một mơ hình kinh doanh phổ biến trong nhĩm các nhà sản xuất BTS (BTS OEM). Hình 2.13a cho thấy sư kết hợp giữa PA và bộ biến đổi RF chung. Thoạt nhìn ta thấy việc đặt mua PA khơng chiếm đáng kể tổng khối lượng hệ thống. Tuy nhiên PA cần được tuyến tính hĩa, đây là yêu cầu chung của các hệ thống CDMA (đa truy nhập phần chia theo mã), OFDMA (đa truy nhập phân chia
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 50 theo tần số trực giao) và π/4-DQPSK (Differiential Quadrature Phase Shift Keying – Khĩa dịch pha cầu phương vi sai), mức độ phức tạp khối này trở nên đang kể và cũng là phần tử lớn hơn nhiều, kể cả độ lớn lẫn giá thành Hình 2.13b nhấn mạnh điều này Trên hình này, kích thước tương đối của PA và các phần tử xử lý RF được định cỡ theo giá thành (cũng đúng với cả kích thước vật lý)
Hình 2.13. (a) sơ đồ khối thơng thường của phần RF của một máy phát được tuyến tính, (b) trình bày định cỡ các phần tử theo giá thành.
Từ hình vẽ trên ta thấy rằng việc đặt mua các phần tử cịn lại của phần RF của một máy phát SDR ảnh hưởng rất ít lên giá thành của khối (thơng thường thậm chí cịn ảnh hưởng tốt lên tổng giá thành BTS) Vì thế nếu đặt mua tồn bộ hộp đen RF, nhân lực kỹ thuật RF của OEM sẽ được giải phĩng cho nhiệm vụ khác và hồn tồn khơng ảnh hưởng lên khả năng khác biệt của OEM.
Việc lựa chọn giữa nâng cấp phần tử hay thay thế phần tử cũng là một vấn đề cần xem xét Nhìn chung các phần từ RF ít thay đổi theo thời gian và vì thế cĩ thể dễ dàng nâng cấp dựa trên SDR Trong khi đĩ phần số của hệ thống cĩ thể thay đổi rất lớn. chẳng hạn theo các nghiên cứu thì cơng suất xử lý của DSP chỉ sau 8 tháng đã kém DSP mới khoảng hai lần Vì thế nên thiết kế DSP cho một thời gian nhất định rồi thay thế để nâng cấp hệ thống.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 51
2.3.2 Ảnh hƣởng của OBSAI và CPRI
OBSAI (Open Base Station Architecture Initative - Sáng kiến cấu trúc trạm gốc mở) và CPRI (Common Public Radio Interface - Giao diện vơ tuyến cơng cộng chung) là các hoạt động tiêu chuẩn hĩa trong cơng nghiệp với mục đích tạo các giao diện mở trong một BTS Các tổ chức này dự định cung cấp một thị trường mở trong đĩ các nhà bán máy (đối tác thứ ba) cĩ thể cung cấp một khối lượng lớn các hệ thống con BTS cho nhiều khách hàng của OEM, nhờ vậy giảm giá thành cho từng khách hàng OEM Hầu hết các OEM hiện nay thuộc một trong hai tổ chức nĩi trên Các tổ chức này đã đưa ra các chuẩn liên quan đến các vấn đề sau:
Giao diện tốc độ cao giữa băng gốc và module RF (để phát số liệu I-Q thể hiện dạng sĩng cần phát)
Tốc độ số liệu thấp cho điều khiển, khai thác, quản trị, bảo dưỡng và trang bị (OAM&P - Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning). Phân phối đồng hồ/định thời.
Giao diện với đầu vơ tuyến đặt xa.
Ngồi ra OBSAI hiện đang tiếp tục nghiên của và đặc tả các khía cạnh của cơ chế điều chế, nguồn nuơi, đo kiểm ,…
Cả hai hoạt động tiêu chuẩn này đều được xây dựng xung quanh giao diện vuơng gĩc I-Q (đồng pha và vuơng gĩc) của băng gốc thân thiện SDR Vì thế với việc sử dụng SDR, kiến trúc phần cứng SDR rất phù hợp cho cả hai chuẩn này và chúng cĩ tiềm năng đem lại các lợi ích kinh tế của SDR cho thị trường BTS. Điều này xuất phát từ các lý do sau:
Băng gốc, giảm tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình, DAC (bộ biến đổi số sang tương tự) và các kiến trúc biến đổi nâng tần cĩ thể tái sử dung trên các băng tần số và các tiêu chuẩn giao diện vơ tuyến khác nhau với các thay đổi rất nhỏ.
Tương tự, biến đổi hạ tấn, ADC (bộ biến đổi tương tự sang số) và các kiến trúc thu băng gốc cũng cĩ thể tái sử dụng trên các băng tần và các tiêu chuẩn giao diện vơ tuyến khác nhau với các thay đổi nhỏ.
Phần mềm cho các giao thức liên quan đến các giao diện trên thường cĩ thể tái sử dụng trên tất cả các nền tảng.
Chính vì các lý do trên mà các SDR được tiếp nhận trong các thiết kế trạm gốc.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 52 Cĩ ba loại khách hàng cơng nghệ vơ tuyến được định nghĩa bằng phần mềm cĩ thể hưởng lợi từ cơng nghệ này:
Các nhà sản xuất thiết bị. Sử dụng SDR cho phép các nhà sản xuất thiết bị chỉ cần sản xuất một sản phẩm máy cầm tay duy nhất, nhờ vậy giảm đáng kể các khía cạnh sản xuất khác nhau, ví dụ như nhà xưởng, linh kiện, các chi phí phát sinh khác,…. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhà mạng. Cạnh tranh giữa các nhà mạng khác nhau chủ yếu dựa trên giá thành và chất lượng dịch vụ Các đầu cuối SDR cho phép nhà mạng cĩ khả năng nâng cấp tại chỗ để chỉnh sửa các sự cố và bổ sung các dịch vụ và các tính năng mới. Chỉnh sửa các sự cố là lĩnh vực hấp dẫn nhất vì thu hồi máy cầm tay để sửa chữa hay gỡ rối phần mềm là rất tốn kém Khả năng bổ sung các dịch vụ mới ngay lập tức chứ khơng phải đợi cho các máy cũ khơng cịn dùng được nữa cũng rất thu hút Thí dụ của trường hợp này là trường hợp nhà mạng cần bổ sung nhẩy tần cho mạng GSM Vì một trong số các máy cầm tay phổ biến ra đời sớm khơng cài đặt tính năng này, nên đã phải trì hỗn nhảy tần trên nhiều mạng cho đến khi cĩ vẻ như máy cầm tay này khơng dùng được được nữa.
Khách hàng. Quyết định mua máy của khách hàng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và cơng nghệ/các tính năng chỉ là một trong số chúng Rất nhiều nhân tố cĩ tầm quan trọng tương đương nhau, chẳng hạn như: kích thước, trọng lượng, thời hạn sử dụng pin, kiểu dáng vỏ máy và thậm chí độ tin cậy của hãng (thương hiệu) Tuy nhiên sự xuất hiện SDR đem đến một số lợi ích và các lợi ích này cĩ thể cải thiện cách mà khách hàng nhìn nhận về sản phẩm. Các tính năng chính hấp dẫn như chuyển mạng tồn cầu thơng minh và khả năng nâng cấp tồn bộ (giống như nâng cấp phần mềm máy tính) khiển sản phẩm càng đơn giản hơn với người sử dụng Tính năng thứ hai sẽ dẫn đến một cơng nghiệp phần mềm mới giống như thị trường sản phẩm bổ sung của máy tính PC
2.4 Các đầu cuối đa chuẩn (MST) 2.4.1 Các lợi ích của của MST 2.4.1 Các lợi ích của của MST
Trong những năm gần đây nhiều tiêu chuẩn vơ tuyến được triển khai đồng thời trong các mạng thơng tin di động Điều này dẫn đến các MST (Multi Standard Terminal: đầu cuối đa chuẩn) ngày càng được quan tâm trong cơng nghiệp viễn thơng
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 53 và khái niệm này nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khai thác, các nhà sản xuất và các nhà cung cấp cơng nghệ Cĩ thể định nghĩa MST như là một đơn vị thuê bao cĩ khả năng hoạt động theo nhiều chuẩn vơ tuyến di động. Khả năng này cùng với cơ chế lập lại cấu hình của đầu cuối trên giao diện vơ tuyến cho thấy đây là một phần tử quan trọng trong các hệ thống thơng tin di động hiện đại Cĩ thể mơ tả một số lợi ích then chốt của MST khả lập lại cấu hình như sau
1. Giảm chi phí sản xuất. Sự phát bùng phát của các tiêu chuẩn giao diện vơ tuyến mới trong các hệ thống thơng tin di động dẫn đến phải tiếp nhận các kiến trúc máy đầu cuối (và trạm gốc) khác nhau tại các vùng địa lý khác nhau Khả năng phát triển và sản xuất một máy thu phát khả lập lại cấu hình duy nhất bằng phẩn mềm để hoạt động theo một tiêu chẩn vơ tuyến bất kỳ rõ ràng mang lại nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất.
2. Chuyển mạng trong suốt. Một ưu điểm quan trọng của các MST là khả năng chuyển mạng trong suốt trên các băng tần khác nhau và các tiêu chuẩn khác nhau Trên nhiều quốc gia các nhà khác thác thậm chí một nhà khai thác cĩ thể đồng thời sử dụng nhiều hệ thống thơng tin di động với các cơng nghệ mạng khác nhau (GSM/GPRS/WCDMA/LTE/WiMAX). MTS khả lập lại cấu hình sẽ là giải pháp hấp dẫn để giải quyết vấn đề này
3. Nâng cấp dịch vụ. Khả năng lập lại cấu hình đầu cuối trên giao diện vơ tuyến cho phép nhà khai thác mạng cĩ khả năng tạo lập và cung cấp nhiều dịch vụ và tính năng theo nhu cầu của từng khách hàng
4. Phát triển đến mạng mới Trong quá trình phát triển từ G lên G hoặc lên 4G, MST khả lập cấu hình cĩ thể hoạt động cả ở mạng mới lẫn mạng cũ và đây là một giải pháp rất tốt đối với vấn đề tương thích ngược.
5. Mã hĩa và điều chế thích ứng. Khả năng thích ứng các thơng số truyền dẫn trong các điều kiện kênh và lưu lượng khác nhau là một lợi ích quan trọng cho phép MST khả lập cấu hình sử dụng hiệu quả tài nguyên vơ tuyến.
2.4.2 Các yêu cầu đối với MST khả lập lại cấu hình
Một MST lý tưởng phải cĩ các tính năng sau: Hoạt động khả định nghĩa bằng phần mềm, hoạt động đa băng và hoạt động đa chế độ.
2.4.2.1 Hoạt động khả định nghĩa bằng phần mềm.
Một MST lý tưởng phải cĩ khả năng làm việc được tại các giao diện vơ tuyến tương lai chưa được định nghĩa Chỉ cĩ thể đạt được điều này bằng cách kết hợp các
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 54 cơng nghệ khả lập lại cấu hình như các DSP (Digital Signal Processor: bộ xử lý tín hiệu số) và các FPGA (Field Programable Gateway Array: mảng cổng khả lập trình theo ứng dụng) khả lập trình Ngồi ra các cơng nghệ này cũng cho phép MST thích ứng đường truyền vơ tuyến (điều chế và mã hĩa kênh)
2.4.2.2 Hoạt động đa băng.
Khả năng xử lý các tín hiệu trên dải rộng các băng tần và các băng thơng kênh là một tính năng quan trọng của MST Nĩ ảnh hưởng lớn lên các phần RF của đầu cuối và chính vùng này là hạn chế cơng nghệ chính đối với thực hiện SDR tại thời điểm hiện nay. Hình 2.14a cho thấy phương pháp thực hiện một máy thu MST truyền thống với việc sử dụng các chuỗi phát thu riêng rẽ cho từng chuẩn vơ tuyến. Trong khi phương pháp này cĩ thể thực hiện được cho máy thu hai chuẩn thì số lượng phần tử tương tự lớn sẽ cản trở thực hiện đối với máy thu nhiều tiêu chuẩn hơn Trái lại khái niệm vơ tuyến mềm số cho phép đơn giản hĩa phần tương tự của máy phát thu bằng cách chuyển một số xử lý tín hiệu vào miền số Điều này được thể hiện trên hình 2.14b Hình này minh họa quá trình xử lý số hĩa băng thơng sau bộ chuyển đổi hạ tần Nhưng lấy mẫu tại tần số GHz là quá lạc quan đối với cơng nghệ hiện nay. Tuy vậy xử lý tín hiệu số tại IF sẽ giảm số lượng phần tử tương tự và cung cấp tính linh hoạt cao nhờ lọc chọn kênh số trong máy thu Tuy nhiên để đạt được điều này phải trả giá bằng cơng suất của DSP (do lấy tốc độ mẫu cao) và yêu cầu cao đối với bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC).
Hình 2.14. Các kiến trúc MST khác nhau
2.4.2.3 Hoạt động đa chế độ
Khả năng phát và thu tín hiệu theo các sơ đồ điều chế và mã hĩa kênh, các cấu trúc cụm, các giải thuật nén và các giao thức báo hiệu khác nhau là một tính năng
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 55 quan trọng khác của MST. Rất nhiều các hoạt động băng gốc đã được thực hiện bằng các DSP hay FPGA khả lập trình vì thế cĩ thể coi tính năng này hồn tồn khả thi trong các MST Hình 2.15 cho thấy sơ đồ logic của tồn bộ MST với sự nhấn mạnh các khái niệm xử lý băng gốc.
Hình 2.15. Kiến trúc của một MST linh hoạt
MST được chia thành năm phần chính:
Phần RF (đầu vơ tuyến) chứa anten đa băng, PA (Power Amplifier: bộ khuếch đại cơng suất) và LNA (Low Noise Amplifier: bộ khuếch đại tạp âm nhỏ), DAC (bộ biến đổi số vào tương tự) và ADC (bộ biến đổi tương tự vào số). Quá trình điều chế và giải điều chế được chia thành các phần số và tương tự. Phần xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các hoạt động đồng bộ với ước tính
kênh, cân bằng kênh, đan xen và mã hĩa kênh kiểm sốt lỗi Điều chế, đan xen và mã hĩa kênh được thể hiện như là các hộp cơng cụ để nhấn mạnh tính chất linh hoạt của chế độ truyền dẫn MST Tính tốn số đo thích ứng để đánh giá tiêu chuẩn thích ứng động của chế độ truyền dẫn MST.
Phần ứng dụng đa phương tiện bao gồm mã hĩa và giải mã nguồn, chẳng hạn MPEG4.
Phần quản lý và điều khiển điều khiển tồn bộ hoạt động của MST và chịu