6. Phơng án triển khai
3.2.8. Thiết bị đầu cuối GPRS(GPRS-MS)
Trạm di động đầu cuối GPRS có thể khai thác theo một trong ba kiểu.Kiểu hoạt động của MS phụ vào các dịch vụ và tiện ích mà MS đăng ký với mạng.
Kiểu hoạt động ở lớp A:
Các máy di động thuộc lớp A đợc khai báo cho cả hai dịch vụ GPRS vàGSM. Nó có thể sử dụng cả hai dịch vụ chuyển mạch kênh và gói đồng thời.tức là đồng thời có thể sử dụng dịc vụ thoại và nhận cấc gói dữ liệu GPRS.
Kiểu hoat động lớp B:
Các máy di động thuộc lớp B đợc khai báo cả hai dịch vụ GSM &GPRS. Nó không thể sử dụng cả hai dịch vụ một cách đồng thời.Nếu cuộc gọi từ GPRS đang thực hiện thì máy di động không thể thực hiện đợc cuộc gọi GSM và ngợc lại.Nó có thể sử dụng cả hai dịch vụ theo cạch liên tiếp nhau.
Máy di động có thể nhận đợc tin nhắn của dịch vụ chuyển mạch kênh trong khi đang truyền tải dữ liệu dạng gói. Khi đó máy di động có thể tạm dừng việc truyền tải dữ liệu trong khoảng thời gian kết nối chuyển mạch kênh, khi kết nối này kết thúc, máy đầu cuối di động sẽ tự đông tiếp tục truyền tải dữ liệu dạng gói.
Kiểu hoạt đông lớp C.
Các máy di động lớp C có chức năng của của cả GSM và GPRS nhng tại một thời điểm chỉ sử dụng đợc một trong hai chức năng đó.Vì vậy ,nếu máy di động đang Attach với mạng GPRS thì nó sẽ Detach khỏi mạng GSMvà sẽ không thực hiện hay nhận đợc bất cứ cuộc gọi GSM nào và ngợc lại.
Hiện nay trên thị trờng đang phổ biến loại điện thoai lớp B do nhiều nhà cung cấp thiết bị đầu cuối cung cấp nh : Samsung,Nokia, Siemen,Alcatell…
Phần IV:
Công nghệ 3G WCDMA / IMT 2000
1. Nguyên lý CDMA
1.1.Nguyên lí trải phổ CDMA
Là các hệ thống số đợc thiết kế để tận dụng dung lợng một cách tối đa. Theo nguyên lý dung lợng kênh truyền của Shannon đợc mô tả trong hình 2.1, rõ ràng dung lợng kênh truyền có thể đợc tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.
C = B. Log2 (1 + S/ N) Với B: băng thông (Hz)
C: dung lợng kênh (Bit/s)
S/ N: công suất tín hiệu/công suất tạp âm.
Vì vậy, đối với một tỉ số S/ N cụ thể (SNR), dung lợng tăng lên nếu băng thông sử dụng để truyền tăng. CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trớc khi truyền đi. CDMA là kĩ thuật đa truy nhập trảI phổ (SSMA). tỉ số độ rộng băng tần truyền thực với đọ rộng băng tần thông tin cần truyền đợc gọi là độ lợi xử lý (Gp) hay là hệ số trảiphổ.
Gp = Bt/ Bi hoặc Gp = B/ R Trong đó Bt: Độ rộng băng truyền thực tế
Bi: Độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin.. B : Độ rộng băng tần thực tế.
R : Tốc độ thông tin.
Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỉ số Eb/ I0, trong đó Eb là năng lợng trên một bit thông tin, và I0 là mật độ phổ năng lợng tạp âm, thể hiện trong công thức sau.
S/N = E*R/ I0*B = Eb/ I0* 1/Gp
Vì thế, với một yêu cầu Eb/ I0 xác định, độ lợi xử lí càng cao, thì tỉ số S/N yêu cầu càng thấp. Trong hệ thống CDMA đầu tiên, IS-95, băng thông truyền dẫn là 1.25Mhz. Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền khoảng 5MHz. Trong CDMA. Mỗi ngời sử dụng đợc gán một chuỗi mã duy nhất (mã trải phổ) để trải tín hiệu thông tin thành một tín hiệu băng rộng trớc khi truyền đi. Bên thu biết đợc chuỗi mã của ngời sử dụng đó và giảI mã vvà khôI phục tín hiệu gốc.
1.2. Kĩ thuật trải phổ vầ giải trải phổ:
Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống DS – CDMA. Dữ liệu ngời dùng (chuỗi bit) đợc điều chế BPSK có tốc độ là R. Hoạt động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu của ngời sử dụng với một chuỗi n bit mã, đợc gọi là các chip. ở đây ta lấy n = 8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là thực hiện điều chế trải phổ BPSK. Kết quả tốc độ dữ liệu là 8xR và có dạng xuất hiện ngẫu nhiên (giả nhiễu) nh là mã trải phổ. Việc tăng tốc dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8 ) phổ của tín hiệu dữ liệu ngời sử dụng đợc trải ra. Tín hiệu băng rộng này sẽ đợc truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu.
Hình 30: Quá trình tải phổ và giải trải phổ
Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip / dữ liệu của ngời sử dụng ttrải phổ đợc nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã đợc sử dụng trong quá trình ttrải phổ. Nh vậy tín hiệu của ngời sử dụng đợc khôi phục hoàn toàn.
1.3. Kỹ thuật truy nhập CDMA :
Một mạng thông tin di động là một hệ thống trong đó một lợng lớn ngời sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lí chung để truyền và nhận thông tin . Dung l- ợng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ thống. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu đem lại khả năng thực hiện việc đa truy nhập cho các hệ thống CDMA. Trong lịch sử thông tin di động đã tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau: TDMA,FDMA và CDMA. Sự khác nhau giữa chúng đợc chỉ ra trong hình vẽ sau đây.
Hình31 : Các công nghệ đa truy nhập
Trong các hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho các ngời sử dụng khác nhau đợc truyền trong cá kênh khác nhau với tần số điều chế khác nhau. Trong hệ thống đa truy nhập theo thời gian TDMA, các tín hiệu của những ngời sử dụng khác nhau đợc truyền đi trong những khe thời gian khác nhau. Với các công nghệ khác nhau thì số ngời sử dụng lớn nhất có thể chia sẻ các kênh vật lí là cố định. Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các tín hiệu của ngời sử dụng khá nahu đợc truyền trong cùng một băng tần trong cùng một thời điểm. Mỗi tín hiệu của ngời sử dụng này nh là nhiễu đối với ngời sử dụng khác, do đó dung l-
ợng của hệ thống CDMA gần nh là mức nhiễu và không có con số cố định, nên dung lợng của hệ thống CDMA đợc gọi là dung lợng mềm.
Hình vẽ sau đây chỉ ra một thí dụ làm thế nào 3 nguời sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA:
Hình32: Nguyên lí đa truy nhập trải phổ
Tại bên thu, ngời sử dụng thứ 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ ngời nào khác. Bởi vì sự tơng quan chéo giữa mã của ngời sử dụng mong muốn và các mã của ngời sử dụng khác là rất nhỏ: việc tách sóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lợng cho tín hiệu mong muốn vàmột phần nhỏ cho tín hiệu của ngời sử dụng khác và băng tần thông tin.
Độ lợi sử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xwr lý đemlại nhiều lợi ích cho các hệ thống CDMA, nh hiệu suất phổ cao và dung lợng mềm. Tuy nhiên, tất cả những lợi ích đó yêu cầu việc sử dụng kĩ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm, để cho tín hiệu của ngời sử dụng này không che thông tin của ngời sử dụng khác.
2. Một số đặc tr ng củ lớp vật lý trong hệ thống WCDMA. 2.1.Các mã trải phổ.
Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, các bit thông tin dữ liệu đợc mã hoá với một số chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PN). Mạng vô tuyến UMTS sử dụng tốc độ chips cố định là 3.84Mpcs đem lại một băng thông sóng mang sấp sỉ 5MHz. Dữ liệu đợc gửi qua giao diện vô tuyến WCDMA đợc mã hoá 2 lần trớc khi đợc điều chế và truyền đi. Quá trình này đợc mô tả trong hình vẽ sau:
Nh vậy trong quá trình trên có hai loãi mã đợc sử dụng là mã trộn và mã định kênh.
• Mã định kênh: là các mã hệ sổ trải phổ biến đổi trức giao OVSF giữ tính trực giao giữa các kênh có các tốc độ và hệ số trải phổ khác nhau. Các mã lựa chọn đợc xác định bằng hệ số trải phổ. Cần phải chú ý thêm rằng: Một mã có thể đợc sử dụng trong cùng một Cell. Có thể nói tất cả các mã đợc chọn lựa sử dụng hoàn toàn theo quy luật trực giao.
• Mã trộn: Mã trộn đợc sử dụng trên đờng xuống là tập hợp chuỗi mã Gold. Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n. Chức năng của nó dùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau. Thông qua mô phỏng, n đợc xác định là tỉ số giữa sự tơng quan và tơng quan chéo khi thay đổi số chip bị cắt bớt do thay đổi tỉ số S/N. Kết quả đợc chỉ ra nh trong bảng.
Hình 34 : Quan hệ giữa S/N và tỉ số bị cắt bớt
Tồn tại hai loại mã trộn trên đờng lên dùng để duy trì sự phân biệt giữa các máy di động khác nhau. Cả hai loại đều là mã phức. Mã thứ nhất là mã hoá Kamasi rất rộng. Thứ hai là mã trộn dài đờng lên, thờng đợc sử dụng trong Cell không phát hiện ra nhiều ngời sử dụng trong một trạm gốc, đó là chỗi mã Gold có chiều dài 241 – 1.
2.2. Ph ơng thức song công:
Hai phơng thức song công đợc sử dụng trong kiến trúc WCDMA là: song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD). Phơng pháp FDD cần hai băng tần cho đờng lên và đờng xuống, phơng pháp TDD chỉ cần một băng tần. Thông thờng phổ tần đợc bán cho nhà khai thác theo các dải có thể bằng 2 x10MHz hoặc2x5MHz cho mỗi bộ điều khiển. Mặc dù có một số đặc điểm khác nhau nhng cả hai phơng thức đều tổng hiệu xuất gần nh nhau. Chế độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc có trễ truyền lớn, vì sẽ gây tranh chấp giữa các khe thời gian thu và phát. Chế độ TDD thích hợp với những môi trờng có trễ truyền thấp, vì thế TDD vận hành tại các Pico cell. Một u điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đờng lên và đờng xuống có thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp với các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng lớn ví dụ nh Web browsing. Trong quá trình hoạch định mạng, các u điểm và nhợc điểm của hai phơng pháp này phải đợc cân nhắc và bù trừ.
2.3.Dung l ợng mạng:
Việc sử dung công nghệ đa truy nhập trải phổ CDMA làm cho dung lợng của các hệ thống UMTS không bị giới hạn cứng, có nghĩa là số ngời sử dụng có thể bổ sung mà không gây ra nghẽn bởi một số lợng phần cứng hạn chế. Hệ thống GSM có số lợng các liên kết và các kênh là cố định chỉ cho phép mật độ lu lợng lớn nhất đã đợc hoạch địnhtrớc nhờ sử dụng các mô hình toán thống kê. Trong hệ thống UMTS, bất cứ ngời sử dụng nào đăng nhập sẽ gây ra một lợng nhiễu bổ sung cho nhứng ngời đang trên hệ thống, ảnh hởng đến tải của hệ thống. Nếu có đủ số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lợng chính trong mạng. Việc các cell bị co hẹp lai do tải cao và việc tăng dung lợng của các cell mà các cell lân cận nó có mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lợng mạng CDMA có đặc điểm “Dung lợng mềm”. Đặc biệt , khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì các cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở lên phức tạp hơn.
2.4. Phân tập đa đ ờng – thu RAKE
Truyền sóng vô tuyến trong kênh di động mặt đất đợc đặc trng bởi các sự phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lợng tín hiệu. Các hiện tợng này gây ra do các vật cản tự nhiên nh toà nhà, các quả đồi…dẫn đến hiệu ứng truyền sóng đa đờng.
Hình 36: Hiệu ứng truyền sóng đa đờng.
Hiệu ứng đa đờng gây ra nhiều khó khăn trong cho các hệ thống truyền dẫn vô tuyến. Một trong những u điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thu qua các nhánh đa đờng với trễ truyền khác nhau và cờng độ tín hiệu khác nhau lại có thể cải thiện đợc hiệu suất của hệ thống. Để kết hợp các thành phần từ các nhánh đa đờng một cách đồng bộ, cần thiết phải tách đúng các thành phần đó. Trong các hệ thống WCDMA, bộ thu RAKEđợc sử dụng để thực hiện chức năng này. Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu đợc gọi là “Finger”. Bộ thu Rake sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lợng của các thành phần tín hiệu khác nhau, có pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chòm sao. Sau k hi điều chỉnh trễ thời gian và cờng độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đó đ- ợc kết hợp thành một tín hiệu có chất lợng cao hơn. Quá trình này gọi là quá trình kết hợp theo tỉ số lớn sử dụng tốc độ chips 3.84Mpcs hoặc là chênh lệch độ dài đờng dẫn là 78m. Phơng pháp này lam giảm đáng kể hiệu ứng Phadinh vì khi có nhiều kênh có đặc điểm khác nhau kết hợp thì ảnh hởng của Phadinh nhanh
đợc tính bình quân. Độ lợi thu từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đờng tơng tự với độ lợi của chuyển giao mềm có đợc bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao.
2.5. Các kênh giao diện vô tuyến UTRA FDD
Giao diện vô tuyến UTRA FDD có các kênh logic, chúng đợc ánh xạ vào các kênh chuyển vận, các kênh chuyển vận lại ánh xạ vào kênh vật lí.
Hình 37: Sơ đồ ánh xạ giữâ các kênh khác nhau
Hình vẽ trên biểu diễn sơ đồ các kênh và sự ánh xạ của chúng vào các kênh khác
2.6. Trạng thái cell
Nhìn dới góc độ UTRA, UE có thể ở chế độ “Rỗi” hoặc ở chế độ “kết nối”, Trong chế độ “Rỗi”, máy di động đợc bật và bắt đợc kênh điều khiển của một Cell nào đó, nhng phần UTRAN của mạng không có thông tin nào về UE. UE chỉ có thể đợc đánh đia chỉ bởi một thông điệp (ví dụ nh tìm gọi) đợc phát quảng bá đến tất cả ngời sử dụng nào trong một Cell. Trạmg thái “Rỗi” cũng đợc gọi là trạng thái “nghỉ trong Cell”. UE có thể chuyển sang chế độ “kết nối” bằng cách yêu cầu thiết lập cuộc kết nối RRC, Hình vẽ sau đây chỉ ra các trạng thái và sự chuyển tiếp các trạng thái cho một UE bao gồm cả các chế độ GSM/ GPRS.
Hình38: Các chế độ của UE và các trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến
Việc ấn định các kênh khác nhau cho một ngời sử dụng và điều khiển tài nguyên vô tuyến đợc thực hiện bởi giao thức quản lí tài nguyên vô tuyến. Trong chế độ “kết nối” của UTRA , có 4 trạng thái RRC mà UE có thể chuyển đổi giữa chúng: Cell DCH, Cell FACH, Cell PCH và URA PCH.
Trong trạng thái Cell DCH, UE đợc cấp phát một kênh vật lí riêng trên đờng lên và đờng xuống.
Trong 3 trạng thái còn lại UE không đợc cấp phát kênh riêng. Trong trạng thái Cell FACH, UE giám sát một kênh đờng xuống và đợc cấp phát một kênh FACH ttrên đờng lên. Trong trạng thái này , UE thực hiện việc chọn lựa tại Cell. Bằng cách gửi thông điệp cập nhật Cell, RNC biết đợc vị trí của UE ở mức Cell.
Trong trạng thái Cell PCH và URA PCH, UE chọn lựa kênh tìm gọi (PCH) và sử dụng việc tiếp nhận không liên tục (DRX) để giám sát kênh PCH đã chọn thông qua một kênh liên kết PICH. Trên đờng lên không có hoạt động nào liên quan đến trạng thái này. Sự khác nhau giữa 2 trạng thái này nh sau: Trong trạng thái Cell PCH, vị trí của UE đợc nhận biết ở mức Cell tuỳ theo việc thực hiện cập nhật Cell cuối cùng. Trong trạng thái URA PCH, vị trí của UE đợc nhận biết ở mức vùng đăng ký UTRAN (URA) tuỳ theo việc thực hiện cập nhật URA cuối