3.3.1. Cỏc mó trải phổ
Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, cỏc bit dữ liệu được mó húa với một chuỗi bit giả ngẫu nhiờn (PN). Mạng vụ tuyến UMTS mạng sử dụng một tốc độ chip cố định là 3.84Mcps đem lại một băng thụng súng mang xấp xỉ 5MHz. Dữ liệu được gửi qua giao diện vụ tuyến WCDMA được mó húa 2 lần trước khi được điều chế và truyền đi. Quỏ trỡnh này được mụ tả trong hỡnh vẽ 3.6 sau:
Hỡnh 3.6: Quỏ trỡnh trải phổ và trộn
Như vậy trong quỏ trỡnh trờn cú hai loại mó được sử dụng là mó trộn và mó định kờnh. Cỏc mó định kờnh (SF) Cỏc mó trộn Tốc độ bit Tốc độ chip Tốc độ chip
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
Mó định kờnh: là cỏc mó hệ số trải phổ biến đổi trực giao OVSF giữ tớnh
trực giao giữa cỏc kờnh cú cỏc tốc độ và hệ số trải phổ khỏc nhau. Cỏc mó lựa chọn được xỏc định bơi hệ số trải phổ. Cần phải chỳ ý rằng: Một mó cú thể được sử dụng trong Cell khi và chỉ khi khụng cú mó nào khỏc trờn đường dẫn từ một mó cụ thể đến gốc của cõy mó hoặc là trờn một cõy con phớa dưới mó đú được sử dụng trong cựng một Cell. Cú thể núi tất cả cỏc mó được chọn lựa sử dụng hoàn toàn theo quy luật trực giao.
Hỡnh 3.7: Cõy mó định kờnh
Mó trộn: Mó trộn được sử dụng trờn đường xuống là tập hợp chuỗi mó Gold.
Cỏc điều kiện ban đầu dựa vào số mó trộn n. Chức năng của nú dựng để phõn biệt cỏc trạm gốc khỏc nhau.
Cú hai loại mó trộn trờn đường lờn, chỳng dựng để duy trỡ sự phõn biệt giữa cỏc mỏy di động khỏc nhau. Cả hai hoại đều là mó phức. Mó thứ nhất là mó húa Kasami rất rộng. Loại thứ hai là mó trộn dài đường lờn thường được sử dụng trong Cell khụng phỏt hiện thấy nhiều người sử dụng trong một trạm gốc. Đú là chuỗi mó Gold cú chiều dài là 241-1.
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= = Mó Đồng Bộ Mó định kờnh Mó trộn, UL Mó trộn, DL Type Cỏc mó Vàng Cỏc mó đồng bộ sơ cấp (PSC) và cỏc mó đồng bộ thứ cấp (SSC) Cỏc mó hệ số trải phổ biến đổi trực giao (còn gọi là mó Walsh)
Cỏc mó PN (giả tạp õm)
Cỏc mó PN (giả tạp õm)
Độ dài 256 chips 4-512 chips 38400 chips /
256 chips 38400 chips Thời gian 66.67 às 1.04 às - 133.34 às 10 ms / 66.67 às 10 ms Số lượng 1 mó sơ cấp / 16 mó thứ cấp = hệ số trải phổ 4 ... 256 UL, 4 ... 512 DL 16,777,216 512 mó sơ cấp / 15 mó thứ cấp với mỗi mó sơ
cấp Trải phổ Khụng làm tăng băng thụng Làm tăng băng thụng Khụng làm tăng băng thụng Khụng làm tăng băng thụng Sử dụng
Cho phộp cỏc đầu cuối định vị và đồng bộ với kờnh điều khiển chớnh
của Cell
UL: để tỏch riờng dữ liệu vật lý và dữ liệu điều khiển của cựng 1
thiết bị đầu cuối DL: tỏch riờng kết nối
tới mỗi thiết bị trong cựng một Cell
Tỏch riờng cỏc thiết bị đầu cuối
Tỏch riờng cỏc sector
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
3.3.2. Phương thức song cụng.
Hai phương thức song cụng được sử dụng trong kiến trỳc WCDMA: song cụng phõn chia theo thời gian (TDD) và song cụng phõn chia theo tần số (FDD). Phương phỏp FDD cần hai băng tần cho đường lờn và đường xuống. Phương thức TDD chỉ cần một băng tần. Thụng thường phổ tần số được bỏn cho cỏc nhà khai thỏc theo cỏc dải cú thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển. Mặc dự cú một số đặc điểm khỏc nhưng cả hai phương thức đều cú tổng hiệu suất gần giống nhau. Chế độ TDD khụng cho phộp giữa mỏy di động và trạm gốc cú trễ truyền lớn, bơi vỡ sẽ gõy ra đụng độ giữa cỏc khe thời gian thu và phỏt. Vỡ vậy mà chế độ TDD phự hợp với cỏc mụi trường cú trễ truyền thấp, cho nờn chế độ TDD vận hành ơ cỏc Picocell. Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lờn và đường xuống cú thể rất khỏc nhau, vỡ vậy mà phự hợp cho cỏc ứng dụng cú đặc tớnh bất đối xứng giữa đường lờn và đường xuống, chẳng hạn như duyệt Web. Trong quỏ trỡnh hoạch định mạng, cỏc ưu điểm và nhược điểm của hai phương phỏp này cú thể bự trừ. Đồ ỏn này chỉ tập trung nghiờn cứu chế độ FDD.
- Băng tần được WRC quyết định dành cho IMT-2000
* WRC-92: 1885 - 2025 MHz và 2110 - 2200 MHz (trong đú, 1980- 2010 MHz và 2170-2200 MHz còn được phõn bổ cho thành phần vệ tinh của IMT-2000).
* WRC-2000: 806 - 960 MHz, 1710 - 1885 MHz và 2500 - 2690 MHz (trong đú, 2500-2520 MHz và 2670-2690 MHz còn được phõn bổ cho thành phần vệ tinh của IMT-2000).
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
3.3.3. Dung lượng mạng
Kết quả của việc sử dụng cụng nghệ đa truy nhập trải phổ CDMA là dung lượng của cỏc hệ thống UMTS khụng bị giới hạn cứng, cú nghĩa là một người sử dụng cú thể bổ sung mà khụng gõy ra nghẽn bơi số lượng phần cứng hạn chế. Hệ thống GSM cú số lượng cỏc liờn kết và hoạch định trước nhờ sử dụng cỏc mụ hỡnh thống kờ. Trong hệ thống UMTS bất cứ người sử dụng nào sẽ gõy ra một nhiễu bổ sung cho những người sử dụng đang cú mặt trong hệ thống, ảnh hương đến tải của hệ thống. Nếu cú đủ số mó thỡ mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lượng chớnh trong mạng. Việc cỏc Cell bị co hẹp lại do tải cao và việc tăng dung lượng của cỏc Cell lõn cận nú cú mức nhiễu thấp là cỏc hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lượng xỏc định nhiễu trong cỏc mạng CDMA. Chớnh vỡ thế mà trong cỏc mạng CDMA cú đặc điểm “dung lượng mềm”. Đặc biệt, khi quan tõm đến chuyển giao mềm thỡ cỏc cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trơ nờn phức tạp.
3.3.4. Phõn tập đa đường – Bộ thu RAKE
Truyền súng vụ tuyến trong kờnh di động mặt đất được đặc trưng bơi cỏc sự phản xạ, sự suy hao khỏc nhau của năng lượng tớn hiệu. Cỏc hiện tượng này gõy ra do cỏc vật cản tự nhiờn như tòa nhà, cỏc quả đồi... dẫn đến hiệu ứng truyền súng đa đường.
Hỡnh 3.9: Truyền súng đa đường
Hiệu ứng đa đường thường gõy ra nhiều khú khăn cho cỏc hệ thống truyền dẫn vụ tuyến. Một trong những ưu điểm của cỏc hệ thống DSSS là tớn hiệu thu qua cỏc nhỏnh đa đường với trễ truyền khỏc nhau và cường độ tớn hiệu khỏc nhau lại cú thể cải thiện hiệu suất của hệ thống. Để kết hợp cỏc thành phần từ cỏc nhỏnh đa đường một cỏch nhất quỏn, cần thiết phải tỏch đỳng cỏc thành phần đú. Trong cỏc hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE được sử dụng để thực thiện chức năng này. Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu được gọi là “finger”. Bộ thu RAKE sử dụng
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
cỏc bộ cõn bằng và cỏc bộ xoay pha để chia năng lượng của cỏc thành phần tớn hiệu khỏc nhau cú pha và biờn độ thay đổi theo kờnh trong sơ đồ chòm sao. Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tớn hiệu, cỏc thành phần khỏc nhau đú được kết hợp thành một tớn hiệu với chất lượng cao hơn. Quỏ trỡnh này được gọi là quỏ trỡnh kết hợp theo tỷ số lớn nhất (MRC), và chỉ cú cỏc tớn hiệu với độ trễ tương đối cao hơn
độ rộng thời gian của một chip mới được kết hợp. Quỏ trỡnh kết hợp theo tỷ số lớn nhất sử dụng tốc độ chip là 3.84Mcps tương ứng với 0.26μs hoặc là chờnh lệch về độ dài đường dẫn là 78m. Phương phỏp này giảm đỏng kể hiệu ứng Fading bơi vỡ khi cỏc kờnh cú đặc điểm khỏc nhau được kết hợp thỡ ảnh hương của Fading nhanh được tớnh bỡnh quõn. Độ lợi thu được từ việc kết hợp nhất quỏn cỏc thành phần đa đường tương tự với độ lợi của chuyển giao mềm cú được bằng cỏch kết hợp hai hay nhiều tớn hiệu trong quỏ trỡnh chuyển giao.
3.3.5. Trạng thỏi cell
Nhỡn dưới gúc độ UTRA, UE cú thể ơ chế độ “rỗi” hoặc ơ chế độ “kết nối”. Trong chế độ “rỗi”, mỏy di động được bật và bắt được kờnh điều khiển của một cell nào đú, nhưng phần UTRAN của mạng khụng cú thụng tin nào về UE. UE chỉ cú thể được đỏnh địa chỉ bơi một thụng điệp (chẳng hạn như thụng bỏo tỡm gọi) được phỏt quảng bỏ đến tất cả người sử dụng trong một Cell. Trạng thỏi chế độ “rỗi” cũng được gọi là “trạng thỏi nghỉ trong Cell”. UE cú thể chuyển sang chế độ “kết nối” bằng cỏch yờu cầu thiết lập một kết nối RRC. Hỡnh vẽ 3.10 sau đõy chỉ ra cỏc trạng thỏi và sự chuyển tiếp cỏc trạng thỏi cho một UE bao gồm cả cỏc chế độ GSM/GPRS.
Hỡnh 3.10: Cỏc chế độ của UE và cỏc trạng thỏi điều khiển
Chế độ kết nối UTRA RRC Chế độ kết nối GSM Chế độ kết nối GPRS Chế độ rỗi Ngh ỉ ơ tr on g C ell U T R A N N gh ỉ ơ tr on g C ell G S M /G P R S Cell DCH Cell FACH Cell PCH URA PCH
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
Nhỡn chung việc ấn định cỏc kờnh khỏc nhau cho một người sử dụng và việc điều khiển tài nguyờn vụ tuyến được thực hiện bơi giao thức Quản lý tài nguyờn vụ tuyến. Trong chế độ “kết nối” của UTRA, cú 4 trạng thỏi RRC mà UE cú thể chuyển đổi giữa chỳng: Cell DCH, Cell FACH và URA PCH.
Trong trạng thỏi Cell DCH, UE được cấp phỏt một kờnh vật lý riờng trờn đường lờn và đường xuống.
Trong 3 trạng thỏi khỏc UE khụng được cấp phỏt kờnh riờng. Trong trạng thỏi Cell FACH, UE giỏm sỏt một kờnh đường xuống và được cấp phỏt một kờnh FACH trờn đường lờn. Trong trạng thỏi này, UE thực hiện việc chọn lựa lại Cell. Bằng cỏch gửi thụng điệp cập nhật Cell, RNC biết được vị trớ của UE ơ mức Cell.
Trong trạng thỏi Cell PCH và URA PCH, UE chọn lựa kờnh tỡm gọi (PCH) và sử dụng việc tiếp nhận khụng liờn tục (DRX) để giỏm sỏt kờnh PCH đó chọn lựa thụng qua một kờnh liờn tiếp PICH. Trờn đường lờn khụng cú hoạt động nào liờn quan đến trạng thỏi này. Sự khỏc nhau giữa 2 trạng thỏi này như sau: trong trạng thỏi Cell PCH vị trớ của UE được nhận biết ơ mức cell tựy theo việc thực hiện cập nhật cell cuối cựng. Trong trạng thỏi URA PCH, vị trớ của UE được nhận biết ơ mức vựng đăng kớ UTRAN (URA) tựy theo việc thực hiện cập nhật URA cuối cựng trong trạng thỏi Cell FACH.
3.3.6. Cấu trỳc Cell
Trong suốt quỏ trỡnh thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chỳ nhiều hơn đến sự phõn tập của mụi trường người sử dụng. Cỏc mụi trường nụng thụn ngoài trời, đụ thị ngoài trời, hay đụ thị trong nhà được hỗ trợ bờn cạnh cỏc mụ hỡnh di động khỏc nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong mụi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao. Để yờu cầu một vựng phủ súng rộng khắp và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đó phỏt triển cấu trỳc lớp cỏc miền phõn cấp với khả năng phủ súng khỏc nhau. Lớp cao nhất bao gồm cỏc vệ tinh bao phủ toàn bộ trỏi đất. Lớp thấp hơn hỡnh thành nờn mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UTRAN. Mỗi lớp được xõy dựng từ cỏc Cell, cỏc lớp càng thấp cỏc vựng địa lý bao phủ bơi cỏc Cell càng nhỏ. Vỡ vậy cỏc Cell nhỏ được xõy dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn. Cỏc cellmacro đề nghị cho vựng phủ mặt đất rộng kết hợp với cỏc microcell để tăng dung lượng cho cỏc vựng mật độ dõn số cao. Cỏc picocell được dựng cho cỏc vựng được coi như là cỏc “điểm núng” yờu cầu dung lượng cao trong cỏc vựng hẹp ( vớ dụ như sõn bay…). Những điều này tuõn theo hai nguyờn lý thiết kế đó biết trong việc triển khai cỏc mạng tế bào: cỏc Cell nhỏ hơn cú thể được sử dụng để tăng dung lượng trờn một vựng địa lý, cỏc Cell lớn hơn cú thể mơ rộng vựng phủ súng.
Do cỏc nhu cầu và cỏc đặc tớnh của một mụi trường văn phòng trong nhà khỏc với yờu cầu của người sử dụng đang đi với tốc độ cao tại vựng nụng thụn, diễn đàn UMTS đó phỏt triển 6 mụi trường hoạt động. Đối với mỗi mụ hỡnh mật độ
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
người sử dụng cú thể trờn 1km2 và cỏc loại Cell được dự đoỏn cho cỏc mụ hỡnh cú tớnh di động thập, trung bỡnh, cao.
Hỡnh 3.11: Cấu trỳc cell UMTS
3.4. Giới thiệu về kiến trỳc mạng 3G
3.4.1. Giới thiệu chung
Hệ thống 3G được xõy dựng nhắm chuẩn bị một hạ tầng di động chung cú khả năng phục vụ cỏc dịch vụ hiện tại và trong tương lai. Cơ sơ hạ tầng 3G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phỏt triển về mặt kỹ thuật cú khả năng phự hợp với mạng hiện tại mà khụng làm ảnh hương đến cỏc dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đú cần tỏch biệt kỹ thuật truy nhập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ và cỏc ứng dụng của người sử dụng.
• Cấu trỳc miền trong hệ thống UMTS
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
Trong đề xuất IMT-2000 đó đưa ra sơ đồ cấu trỳc mạng UMTS bao gồm 3 ba miền chớnh: Mạng lừi (CN), mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) và thiết bị người dựng (UE).
Chức năng chớnh của mạng lừi là cung cấp chuyển mạch định tuyến và chuyển tiếp lưu lượng người dựng. Mạng lừi cũng chứa đựng cơ sơ dữ liệu và chức năng quản lý mạng. Kiến trỳc CN cơ bản dựa trờn mạng GSM và GPRS. Tất cả mọi thiết bị đều phải thay đổi cho phự hợp với dịch vụ và hoạt động của hệ thống UMTS.
UTRAN cung cấp phương phỏp truy nhập giao diện vụ tuyến cho UE. Trạm gốc được nhắc tới như Nỳt B và thiết bị điều khiển cỏc Nỳt B được gọi là Bộ điều khiển mạng vụ tuyến RNC.
Miền thiết bị người dựng gồm hai phần: thiết bị di động (ME) và Modul nhận dạng dịch vụ UMTS (USIM). Trong đú thiết bị di động bao gồm mọi chức năng yờu cầu để truy nhập vào mạng UMTS.
• Cấu trỳc quản lý tài nguyờn
Cấu trỳc quản lý tài nguyờn dựa trờn cơ sơ phõn chia cỏc chức năng quản lý chủ yếu sau:
+ Quản lý kết nối (CM). + Quản lý di động (MM).
+ Quản lý tài nguyờn vụ tuyến (RRM).
Hỡnh 3.13: Cấu trỳc quản lý tài nguyờn
+ CM bao gồm tất cả cỏc chức năng, cỏc thủ tục liờn quan tới việc quản lý kết nối của người dựng. CM được chia thành cỏc phần nhỏ như: phần xử lý cuộc gọi
Điều khiển di động
Điều khiển tài nguyờn vụ tuyến Điều khiển di động
Điều khiển thụng tin
RR M M M RR MM M M M M C M C M NMS UE CN Uu UTRA NN Iu
Quỏ trỡnh phỏt triển lờn 3G và hệ thống thụng tin di động thế hệ 3 WCDMA ================================================= =
chuyển mạch kờnh, phần xử lý cỏc kết nối chuyển mạch gúi, phần xử lý cỏc dịch vụ hỗ trợ và cỏc dịch vụ nhắn tin.
+ MM gồm tất cả cỏc chức năng cỏc thủ tục quản lý di động và bảo mật như