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 mạng viễn thông. Trong mục này sẽ tìm hiểu kỹ hơn về tính toán quỹ đường truyền vô tuyến, dung lượng, vùng phủ, và số lượng thiết bị cần thiết để đáp ứng các yêu cầu trên. Ngoài ra còn phải xem xét đến các yêu cầu của nhà khai thác liên quan đến các đặc điểm sau:
− Vùng phủ:
+ Vùng phủ sóng.
+ Thông tin về loại vùng phủ sóng. + Điều kiện truyền sóng.
− Dung lượng:
+ Phổ tần sẵn có.
+ Dự đoán sự tăng trưởng số thuê bao. + Thông tin mật độ lưu lượng.
− Chất lượng dịch vụ (QoS):
+ Xác suất vị trí các vùng (khả năng phủ sóng). + Xác suất nghẽn.
+ Thông lượng người sử dụng đầu cuối.
2.2.1.1 Tính toán vùng phủ sóng
Trên cơ sở phân tích vùng phủ sóng, tính toán quỹ đường truyền theo đường lên hoặc đường xuống, ta tính bán kính cell vùng phủ sóng theo mô hình trong hình 2.6.
Hình 2.6 Quá trình tính toán bán kính vùng phủ sóng. 2.2.1.1.1 Phân tích vùng phủ
Trong bước chuẩn bị điều đầu tiên nhà khai thác hướng tới là phải xác định được kiểu vùng phủ cho các khu vực cần phủ sóng. Trước hết phải tập trung phủ sóng các khu vực có mật độ dân số cao, nơi có mật độ người sử dụng qua lại đông, đó là các khu vực thương mại, khu văn phòng, khu dân cư mật độ dân số cao, khu công nghiệp, đường cao tốc chính...
Mục đích của quá trình này là:
– Để đảm bảo cung cấp một dung lượng phù hợp cho các vùng này.
− Biết được đặc điểm truyền sóng của vùng để xác định môi trường truyền sóng, vì mỗi môi trường sẽ có tác động trực tiếp đến mô hình truyền sóng.
Mức vùng phủ sóng cho các khu vực sẽ phụ thuộc vào kiểu môi trường và địa hình. Các thông tin về vùng phủ sẽ được dùng để chuẩn bị bước quy hoạch vùng phủ ban đầu. Ví dụ đối với vùng ngoại ô và thành thị cung cấp vùng phủ trong nhà. Với vùng có đường cao tốc thì chỉ cần đến vùng phủ trong xe. Còn các vùng phủ khác chỉ cần cung cấp vùng phủ ngoài trời. Bảng 2.1 dưới đây mô tả các loại hình phủ sóng.
Thông số đầu vào
Tính suy hao đường truyền cho phép
Bán kính vùng phủ R yêu cầu theo các mô hình truyền sóng
Bảng 2.1 Các loại hình phủ sóng phổ biến.
Vùng phủ sóng Đặc điểm
Đô thị đông đúc - Dense urban
Khu vực đông dân cư với nhiều nhà cao tầng, là khu trung tâm với văn phòng và các trung tâm mua sắm, giải trí, nhà ga…
Đô thị - Urban
Khu vực đường phố và cây xanh xen kẽ một vài tòa nhà cao tầng, các tòa nhà cao tầng cách xa nhau.
Ngoại ô - Sub Urban Khu ngoại ô với các nhà vườn và công viên, khu nghỉ dưỡng… Nông thôn - Rural Khu vực nông thôn.
Vì hệ thống WCDMA là hệ thống đa truy cập dịch vụ với cấu trúc đa kênh có thể sử dụng cho nhiều dịch vụ, nên việc xác định vùng phủ theo dịch vụ cũng là một yếu tố cũng ảnh hưởng tới vùng phủ sóng. Bảng 2.2 liệt kê các dịch vụ chính thường dùng trong hệ thống truy cập WCDMA.
Bảng 2.2 Các loại dịch vụ chính của WCDMA.
Kiểu kênh Dịch vụ hỗ trợ
CS 12.2K Voice
CS 64K Video Call
PS 64K Email, Web
PS 384K Email, Web, Video Streaming, Mobile TV
HSPA Best Effort Service
Ứng với mỗi loại hình dịch vụ sẽ có bán kính phục vụ tương ứng phụ thuộc vào mã trải phổ, công suất phát cực đại và chất lượng dịch vụ yêu cầu. Tùy theo mỗi khu vực và dự báo nhu cầu sử dụng dịch vụ sẽ có các bán kính phục vụ khác nhau. Hình 2.7 mô tả bán kính tối đa của mỗi loại dịch vụ tương ứng [5].
Từ các yêu cầu về vùng phủ theo nhu cầu dịch vụ và kiểu vùng phủ, vấn đề tiếp theo trong việc định cỡ mạng là tính quỹ đường truyền vô tuyến. Quỹ đường truyền vô tuyến đặc trưng cho từng loại dịch vụ, tức là
mỗi loại dịch vụ yêu cầu một quỹ đường truyền nhất định đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra.
Hình 2.7 Bán kính vùng phủ tối đa của cell ứng với các loại dịch vụ. 2.2.1.1.2 Tính toán quỹ đường truyền vô tuyến
Cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bào khác, quỹ đường truyền trong hệ thống WCDMA dùng để tính toán suy hao đường truyền cho phép lớn nhất để tính toán vùng phủ (tính bán kính cell) của một trạm gốc và trạm di động. Các thành phần để tính suy hao cho phép lớn nhất của tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu gọi là quỹ đường truyền. Quỹ đường truyền tổng quát cho cả đường lên và đường xuống bao gồm các thành phần sau:
a) Công suất máy phát (dBm):
a1) Công suất máy phát trung bình trên một kênh lưu lượng (dBm): giá trị trung bình của công suất phát tổng trên một chu trình truyền dẫn với công suất phát cực đại lúc bắt đầu phát.
a2) Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng (dBm): công suất tổng cộng tại đầu ra của máy phát cho một kênh lưu lượng đơn.
a3) Công suất máy phát tổng cộng cực đại (dBm): tổng công suất phát cực đại của tất cả các kênh.
b) Tổn hao do ghép, giắc cắm và do cáp (máy phát) (dB): suy hao tổng
cộng của tất cả các thành phần của hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của máy phát và đầu vào của anten.
c) Tăng ích anten phát (dB): tăng ích cực đại của anten phát trong mặt
d) EIRP – Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của máy phát (dBm):
d1) EIRP của máy phát trên một kênh lưu lượng (dBm): tổng công suất đầu ra máy phát cho một kênh – PTX (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn – LFTX (–dB) và tăng ích anten máy phát – Gmax (dBi) theo hướng bức xạ cực đại. Σ = B B L G P EIRP C FTX TX C . max . (2.1)
Với BC là độ rộng băng của 1 băng thông truyền dẫn và BΣ là độ rộng băng của cả dải băng thông được cấp.
d2) EIRP của máy phát: tổng của công suất máy phát của tất cả các kênh (dBm), các suy hao do hệ thống truyền dẫn – LT (–dB), và tăng ích anten phát (dBi). T FTX TX L L G P EIRP . . max = (2.2)
e) Tăng ích anten thu (dBi): tăng ích tối đa của anten thu trong mặt phẳng