2.1.1 Giới thiệu công nghệ W-CDMA
Mục này sẽ giới thiệu về công nghệ WCDMA, cấu trúc mạng WCDMA, mạng truy nhập vô tuyến UTRAN, các giao diện vô tuyến và các công nghệ đặc trưng riêng áp dụng cho mạng WCDMA, ta sẽ có cái nhìn tổng quan về mạng 3G UMTS sử dụng công nghệ WCDMA.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, Internet, hội thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz.
Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. W-CDMA có các tính năng cơ bản sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2Mbit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm-điểm và đa điểm.
Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như: thoại hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác.
2.1.2 Cấu trúc mạng WCDMA
Hệ thống WCDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng WCDMA ra làm hai phần: mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN). Mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của WCDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong WCDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. Hình 2.1 mô tả cấu trúc tổng thể của hệ thống UMTS [3].
Hình 2.1 Cấu trúc tổng thể của hệ thống UMTS.
• UE: thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
• UTRAN: Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử:
- Node-B : Chức năng chính của Node B là thực hiện xữ lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ… Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM..
- RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
• CN: Mạng lõi thực hiện chuyển mạch và định tuyến cho cuộc gọi: - HLR: Bộ ghi định vị thường trú là cơ sở dữ liệu lưu giữ tất cả thông tin liên quan đến người sử dụng và các loại dịch vụ người sử dụng đang dùng. Dữ liệu mới được tạo ra khi có một người dùng mới được thêm vào hệ thống.
- MSC/VLR: Tổng đài (MSC) chịu trách nhiệm về các hoạt động điều khiển cuộc gọi trong miền CS. Cơ sở dữ liệu (VLR) lưu giữ thông tin về thuê bao trong vùng của MSC, gồm cả vị trí UE trong khu vực.
- GMSC: MSC cổng, có chức năng chuyển mạch kết nối với mạng ngoài. Thiết lập các kết nối cuộc gọi tới và ra khỏi mạng.
- SGSN: Node hỗ trợ phục vụ GPRS có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụngcho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN: Node hỗ trợ cổng GPRS có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
- Miền CS: thực hiện kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. - MIền PS: thực hiện kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói. • Các giao diện vô tuyến:
- Giao diện CU: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện UU: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.
- Giao diện IU: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện IUr: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện IUb: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn.
• Đặc trưng của UTRAN:
- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của WCDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
2.1.3 Các kỹ thuật cơ bản trong hệ thống UMTS 2.1.3.1 Trải phổ2.1.3.1 Trải phổ2.1.3.1 Trải phổ 2.1.3.1 Trải phổ
Hệ thống WCDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS- CDMA). Trong đó, tín hiệu số băng gốc được nhân trực tiếp với một chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ sau đó mới được điều chế với một sóng mang cao tần. Nhờ đó mà phổ của tín hiệu băng gốc được trải rộng ra nhiều lần. Minh hoạ kỹ thuật trải phổ với 3 người dùng như hình 2.2 [4].
Dòng dữ liệu: Thông thường tín hiệu được điều chế BPSK được sử dụng như là tín hiệu gốc. Có nghĩa là việc điều chế tín hiệu được thực hiện hai lần đối với tín hiệu gốc (chưa điều chế). Tín hiệu dữ liệu gốc (đạt được sau điều chế BPSK) sau đó được điều chế bởi chuỗi chip trải phổ tốc độ
cao như trong hình 2.3 [4]. Vì thế mà tín hiệu băng hẹp BPSK chuyển thành tín hiệu được trải có băng rộng hơn.
Hình 2.2 Trải phổ DS-CDMA với 3 người dùng.
Mã trải phổ (Mã phân kênh): Được sử dụng trên đường xuống để phân biệt các người dùng và các kênh trong phạm vi một cell, còn ở trên đường lên chúng được sử dụng để phân biệt dữ liệu và các kênh điều khiển từ cùng thiết bị người dùng. Các mã trải phổ là các mã trực giao được gọi là các mã hệ số trải biến đổi trực giao (OVSF). Tất cả các mã OVSF có cùng hệ số trải cho trước đều trực giao với nhau. Các mã OVSF có các hệ số trải khác nhau từ 4 đến 512 phụ thuộc vào các dữ liệu có tốc độ symbol khác nhau. Các mã OVSF được tạo ra nhờ các cây mã OVSF như minh họa trong hình 2.4 [4].
Hình 2.3 Mô hình điều chế và giải điều chế.
Mã xáo trộn: Các mã xáo trộn được sử dụng sau và bổ sung cho các mã trải (OVSF). Dữ liệu đã được trải tới một tốc độ chip là 3,84 Mcps sau xáo trộn băng thông không bị thay đổi. Mục đích chủ yếu của xáo trộn là
phân biệt các người dùng trên đường lên và các cell (trạm gốc) trên đường xuống.
Hình 2.4 Cây mã OVSF.
Các mã xáo trộn được sử dụng là các mã giả tạp âm được gọi là các mã vàng. Trên đường xuống các mã xáo trộn được chia thành 512 nhóm, mỗi nhóm có một mã xáo trộn cấp 1 và 15 mã xáo trộn cấp 2. Theo nguyên tắc đó thì có 8192 mã xáo trộn có thể được sử dụng trên đường xuống. Trên đường lên có tất cả 224 mã xáo trộn. Các mã đường lên đó được chia thành các mã ngắn và các mã dài.
2.1.3.2 Điều khiển công suất WCDMA
Hệ thống WCDMA muốn hoạt động tốt đều có yêu cầu rất cao về vấn đề điều khiển công suất. Điều khiển công suất (PC) tối thiểu hoá công suất phát của cả UE và mạng. Vì các hệ thống WCDMA bị hạn chế bởi nhiễu, nên giảm công suất từ tất cả người dùng sẽ làm tăng dung lượng. Vấn đề cơ bản nhất trong điều khiển công suất là vấn đề gần-xa. Yêu cầu của điều khiển công suât là mức công suất mà các UE tạo ra ở Node-B cần phải bằng nhau. WCDMA sử dụng các phương pháp điều khiển công suất sau:
a. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)
Được sử dụng khi UE lần đầu tiên truy cập hệ thống. Tại thời điểm đó UE ước lượng công suất được yêu cầu nhỏ nhất cần cho mạng để thu được tín hiệu của nó trong điều kiện không có phản hồi để UE để tăng hoặc giảm công suất. Điều khiển công suất vòng hở dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền trên đường xuống và tỉ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu.
Nhược điểm của phương pháp này là điều kiện truyền sóng của đường xuống khác với đường lên nhất là pha đinh nhanh nên sẽ thiếu chính xác.
b. Điều khiển công suất vòng lặp đóng (CLPC)
Được thực hiện khi UE đã kết nối với hệ thống. Nó thực hiện điều khiển công suất phát trên cả đường lên và đường xuống. CLPC dựa trên ba bước cơ bản đó là thực hiện việc truyền dẫn, đo lường ở phía thu và có phản hồi được cung cấp cho phía phát để xem có nên tăng hay giảm công suất hay không.
Điều khiển công suất vòng kín gồm có hai phần:
- Điều khiển công suất nhanh vòng trong tốc độ 1500 Hz. - Điều khiển công suất chậm vòng ngoài tốc độ 10-100 Hz.
Điều khiển công suất vòng ngoài (chậm): Được thiết lập trên RNC và UE, thực hiện đánh giá dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở FER hoặc BER để quyết định tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) đích cho điều khiển công suất vòng trong, để duy trì được QoS dịch vụ. Thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC. Việc kiểm tra chỉ thị chất lượng này sẽ thông báo cho RNC về việc giảm chất lượng và RNC sẽ ra lệnh cho nút B tăng SIR đích.
Điều khiển công suất vòng trong (nhanh): Ước lượng SIR phải được tính sau mỗi khe thời gian, từ khi hoa tiêu của DPCCH xuất hiện trong mỗi khe thời gian. Vòng lặp trong được cho SIR đích và nó thực hiện so sánh SIR ước lượng với SIR đích. Nếu SIR ước lượng nhỏ hơn SIR đích, vòng lặp trong sẽ báo hiệu cho máy phát tăng công suất đường xuống và ngược lại. Việc này diễn ra rất nhanh 1500 lần/s, để bù trừ cho các điều kiện fadinh thay đổi nhanh. PC đường lên để vượt qua ảnh hưởng của hiệu ứng gần-xa, tiết kiệm công suất UE. PC đường xuống để tiết kiệm công suất Node-B và giảm nhiễu cho các Node-B khác.
2.1.3.3 Chuyển giao và lựa chọn lại cell trong WCDMA
Chuyển giao: là quá trình bổ sung hoặc loại bỏ đi các liên kết với các cell mà UE đang liên lạc trên một kênh dành riêng. UE hỗ trợ quá trình này bằng việc thực hiện các đo lường cường độ tín hiệu của các cell hàng xóm và báo cáo tới UTRAN, và cuối cùng thì UTRAN sẽ quyết định khi nào thực hiện chuyển giao.
Lựa chọn lại Cell: là quá trình lựa chọn một cell mới khi UE đang nằm trong chế độ rỗi (Idle). UE lựa chọn một cell mới một cách độc lập mà không yêu cầu sự can thiệp từ UTRAN. Tuy nhiên UTRAN cung cấp các tham số trong các bản tin thông tin hệ thống mà nó ảnh hưởng tới quyết định lựa chọn lại Cell của UE.
b. Các loại chuyển giao và lựa chọn lại cell
Chuyển giao cùng tần số: xẩy ra giữa các cell có cùng tần số vô tuyến. UE có thể đo lường cường độ tín hiệu của các cell khác mà không gây gián đoạn kết nối với cell hiện tại. Chuyển giao có thể là mềm hoặc mềm hơn.
Chuyển giao giữa các tần số: xẩy ra giữa các cell trên các tần số vô tuyến khác nhau. Để đo lường cường độ tín hiệu của một cell hàng xóm giữa các tần số, UE phải điều chỉnh khỏi tần số của cell đang phục vụ và điều chỉnh tới tần số của cell hàng xóm.
Chuyển giao giữa các hệ thống (IS-HO): giữa các tế bào thuộc hai công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) hay hai chế độ truy cập vô tuyến (RAM) khác nhau. Trường hợp thường xuyên xảy ra nhất là chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE.
c. Các thủ tục chuyển giao
Chuyển giao cứng (Hard HandOver): là các thủ tục trong đó tất cả các đường truyền vô tuyến cũ của một UE được giải phóng trước khi thiết lập các đường truyền vô tuyến mới.
Chuyển giao mềm (Soft HandOver) và chuyển giao mềm hơn (Softer Handover): là các thủ tục trong đó UE luôn duy trì ít nhất một đường vô tuyến nối đến UTRAN. Trong chuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nhiều cell thuộc các nút B khác nhau của cùng một RNC (chuyển giao mềm nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (chuyển giao
mềm giữa các RNC). Trong chuyển giao mềm hơn UE được kết nối đến ít nhất là hai cell của cùng một nút B. Soft HO và Softer HO chỉ có thể xẩy ra trên cùng một tần số sóng mang và trong cùng một hệ thống.
Phụ thuộc vào sự tham gia trong chuyển giao mềm, các cell trong một hệ thống WCDMA được chia thành các tập sau đây:
- Tập hoạt động (AS) của một UE chứa tất cả các cell mà hiện đang hỗ trợ một kết nối vô tuyến tới UE đó. Trong suốt quá trình vận hành kênh dành riêng, AS phải chứa ít nhất một cell, và có thể chứa nhiều nhất 8 cell.
- Tập được kiểm soát: Tập này bao gồm tất cả các cell được giám sát và đo liên tục bởi UE và hiện thời không có trong tập hoạt động.
- Tập được phát hiện: Tập này bao gồm các cell được UE phát hiện nhưng không thuộc tập hoạt động lẫn tập lân cận.
Các thành viên của tập dưới có thể được chuyển lên tập trên khi công suất hoa tiêu của chúng đủ mạnh.
Hình 2.5 Thuật toán chuyển giao trong WCDMA.
Trong chế độ kết nối, UE liên tục đo các ô phục vụ và các ô lân cận (do RNC chỉ dẫn) trên tần số sóng mang hiện thời. UE so sánh các kết quả đo với ngưỡng HO do RNC cung cấp và gửi báo cáo kết quả đo đến RNC. Vì thế SHO là kiểu chuyển giao được đánh giá bởi đầu cuối di động (MEHO). Tuy nhiên giải thuật quyết định SHO được đặt trong RNC. Dựa trên các báo cáo kết quả đo từ UE, RNC lệnh cho UE bổ sung hay loại bỏ một số cell ra khỏi tập hoạt động của mình, minh hoạ trong hình 2.5 [4].
2.2 Quy hoạch mạng vô tuyến 3G UMTS thực tiễn 2.2.1 Định cỡ mạng vô tuyến
Như đã trình bày ở Chương 1, định cỡ mạng vô tuyến là một quá trình mà mục đích là để ước lượng số lượng thiết bị cần thiết trong một