Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn
1.2.4 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ ba
Hệ thống tế bào số thế hệ thứ ba (3G) này được tạo ra để tăng dung lượng người dùng hệ thống và đáp ứng mong muốn tốc độ dữ liệu ngày càng tăng. Thế hệ này cung cấp cho người dùng khả năng lướt Internet và có các dịch vụ thoại và dữ liệu đồng thời. Đây cũng là chất xúc tác để giới thiệu các ứng dụng video cho các thiết bị di động của người dùng. Cả hai dịch vụ CS và PS đều được hỗ trợ từ định hướng ban đầu. Hiện nay trong sự phát triển của tế bào, truy cập di động vào Internet ngày càng trở nên quan trọng. Kỹ thuật MA chuyển từ việc sử dụng cả TDMA và CDMA sang chuẩn hóa trên CDMA. CDMA-One phát triển thành CDMA2000 và GSM/IS-136 được phát triển thành CDMA băng rộng (WCDMA). CDMA là một kỹ thuật đa truy cập trong đó nhiều người dùng được phân tách bằng mã PN và truyền cùng lúc trên toàn bộ băng thông được phân bổ.
Nó được biết đến khi nhiều người dùng truyền tải hơn, nhiễu nội bào tăng lên được gọi là nhiễu đa truy cập. Cơ chế điều khiển công suất được sử dụng trong hệ thống không chỉ cải thiện hiệu suất trong môi trường pha đinh đa đường, mà còn xử lý nhiễu do mỗi người dùng gây ra trong hệ thống. Điều khiển công suất là giải pháp cho vấn đề gần xa, với mục tiêu là có thể truyền được UE linh hoạt để tất cả người dùng nhận bởi NodeB sẽ có năng lượng tương đương.
Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã xác định các mục tiêu 3G dưới dạng các yêu cầu IMT-2000. Cơ quan tiêu chuẩn 3GPP được hình thành và tạo ra các thông số cụ thể để hỗ trợ các triển khai đáp ứng các yêu cầu của ITU. Hệ thống tế bào 3G tiếp tục sử dụng phổ tần được cấp phép. Khái niệm các tế bào nhỏ đã được giới thiệu trong tiêu chuẩn và được gọi là HomeNB.
Sự kết hợp sóng mang (CA) là một mầm mống đã có từ hệ thống 3G như một phương pháp để phát triển và hỗ trợ tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn. Mầm mống này đã phát triển và hiện đang mang lại lợi ích cho các hệ thống 4G hiện đại. Ghép kênh không gian nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) cũng
là một mầm mống được đưa vào 3G trong đó nhiều luồng hoặc lớp được truyền đến người dùng (với yêu cầu về hạng ma trận kênh được cung cấp là phù hợp). Điều chế bậc cao (HOM) cũng được chuẩn hóa, chuyển đổi từ 16- QAM sang 256-QAM trong hệ thống tế bào di động mặt đất là rất mới ở thời điểm này.
Hình 1.6. Sơ đồ khối máy thu Rake WCDMA 3G.
Một ví dụ về máy thu RAKE, được thiết kế để chống lại các ảnh hưởng của pha đinh đa đường, sử dụng để thu tín hiệu đường xuống WCDMA được thể hiện trong Hình 1.6. Tham số thiết kế chính của hệ thống WCDMA là có băng thông truyền lớn hơn băng thông kết hợp của kênh không dây cho phép sử dụng đa đường (hoặc tiếng vọng) để khai thác sự phân tán thời gian của kênh. Máy thu RAKE bao gồm N nhánh để theo dõi đa đường và giải điều
chế các dạng sóng tương ứng. Mỗi nhánh được giả định để giải điều chế kênh hoa tiêu chung (CPICH) hỗ trợ ước lượng kênh.
Độ phức tạp của máy thu tăng tuyến tính với tốc độ dữ liệu, sơ đồ điều chế được sử dụng và số lượng anten được hỗ trợ. Trong tiêu chuẩn WCDMA, cả hai chế độ song công FDD và TDD đều được cung cấp cho phổ ghép và không ghép đôi. Để hỗ trợ quy trình xử lí tín hiệu số của máy thu, cả các symbol hoa tiêu chuyên dụng và chung đã được chèn vào dạng sóng. Một sự thay đổi hoàn toàn từ bộ tách sóng không kết hợp sang bộ tách sóng kết hợp đã được công nhận bởi ngành công nghiệp tế bào.
Kiến trúc mạng WCDMA 3G được thể hiện trong Hình 1.7. NodeB đã thay thế các chức năng của BTS và bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) đã thay thế các chức năng BSC. WCDMA còn được gọi là hệ thống điện thoại di động vạn năng (UMTS). Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) bao gồm các nhóm NodeB và RNC.
Hình 1.7. Sơ đồ khối kiến trúc mạng WCDMA 3G.
Các tiêu chuẩn tế bào 3G triển khai trên toàn cầu được liệt kê dưới đây. Lưu ý rằng một tiêu chuẩn di động toàn cầu không tồn tại.
WCDMA (còn gọi là UMTS)
Điều chế số (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, v.v.), song công FDD/TDD
Băng thông kênh = 5 MHz (với tốc độ chip = 3.84 Mcps)
Độ dài khung = 10 ms
Độ dài khe thời gian = 0.667 ms (15 khe thời gian/khung)
Tốc độ dữ liệu lên tới 1 Mbps
Được xác định bởi tiêu chuẩn 3GPP.
CDMA2000
Điều chế số (QPSK, 16-QAM, 64-QAM), song công FDD
Băng thông kênh = 1.25 MHz x 3
Độ dài khung = 10 ms
Độ dài khe thời gian = 0.667 ms (15 khe thời gian/khung)
Tốc độ dữ liệu lên tới 1 Mbps
Được xác định theo tiêu chuẩn 3GPP2.
Hình 1.8. Sơ đồ khối máy phát đường xuống WCDMA.
Một sơ đồ khối chức năng bậc cao WCDMA của máy phát đường xuống và máy phát đường lên được thể hiện trong Hình 1.8 và Hình 1.9. Mỗi tế bào có một mã xáo trộn duy nhất, trong đó các mã lan truyền giống nhau (hệ số lan truyền biến đổi trực giao (OVSF)) được tái sử dụng trong mỗi tế bào. Các mã xáo trộn cũng được gọi là các mã kênh. Sự khác biệt là đường lên cũng sử dụng ghép kênh cầu phương giữa các kênh I và Q.
Hệ thống tế bào WCDMA đã phát triển thành truy cập gói tốc độ cao (HSPA) bao gồm cả các thành phần đường xuống (HSDPA) và đường lên (HSUPA). HSPA được tạo ra do yêu cầu cần có một cách hiệu quả để cung cấp các dịch vụ gói.
Hình 1.9. Sơ đồ khối máy phát đường lên WCDMA.
HSPA đã giới thiệu khái niệm kênh chia sẻ, mã hóa và điều chế có khả năng thích ứng (AMC) hỗ trợ yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ). Ngoài ra trong HSPA:
Toàn bộ dải tần số đã được sử dụng (tái sử dụng tần số không lớn hơn 1 lần).
Người dùng được lập lịch trên khe thời gian (được gọi là khoảng thời gian truyền (TTI) với thời lượng 2 ms) và sử dụng mã PN làm tài nguyên vật lý.
Khái niệm tăng cường kiến trúc mạng đã được giới thiệu để hỗ trợ truyền thông có độ trễ thấp.
Hình 1.10. Sơ đồ khối máy phát HSDPA.
Sơ đồ khối HSDPA được thể hiện trong Hình 1.10. Mỗi gói người dùng được bảo vệ và truyền đến UE, một xác nhận (ACK) được dự kiến sẽ đảm bảo liên lạc không xảy ra lỗi. Trong trường hợp có xác nhận tiêu cực
(NACK), bộ lập lịch sẽ quyết định kết hợp mã hóa, điều chế và tài nguyên vật lý nào nên được sử dụng để tăng khả năng thông tin mà không có lỗi. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA 3G được thể hiện trong Hình 1.11. Một số chức năng (được tô đậm trong sơ đồ) trước đây được thực hiện trong RNC giờ đây được thực hiện gần với cạnh của mạng truy cập trong NodeB, hỗ trợ giải pháp tăng cường mạng.
Hình 1.11. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA.
Việc phát triển WCDMA tiếp tục trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà thiết kế hệ thống tế bào. Mọi công cụ đã biết đều được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu người dùng. HOM đã được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thông cho phép. Ghép kênh không gian MIMO được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thông cho phép.
Băng thông cũng được tăng lên dưới dạng các sóng mang kết hợp để tăng tốc độ dữ liệu, tuy nhiên hiệu quả phổ vẫn không thay đổi. Hệ thống WCDMA gốc đã sử dụng máy thu RAKE hoạt động tốt hơn khi mức tăng xử lý lớn hơn thay vì nhỏ hơn. Hệ số mở rộng băng thông (hoạt động truyền tín hiệu) cùng với tốc độ dữ liệu người dùng cao như mong muốn đã hạn chế hệ thống WCDMA thông thường phát triển thêm.