KẾT LUẬN CHƢƠNG

Mới thực sự phát triển trong vịng 20 năm, nhƣng những bƣớc tiến trong cơng nghệ cũng nhƣ trong sự phát triển thị trƣờng của mạng di động cho thấy thơng tin di động là một nhu cầu thiết yếu và quan trọng đối với ngƣời dùng. Đến nay, điện thoại di khơng chỉ dùng để gọi điện, nhắn tin SMS mà cịn cĩ thể gửi và nhận MMS, email; lƣu các tệp âm thanh, hình ảnh, dữ liệu cùng chức năng nghe nhạc, giải trí; lƣớt web, xem TV trực tuyến…

Các nhà cung cấp dịch vụ và ngƣời dùng đều luơn mong muốn và hƣớng tới các cơng nghệ khơng dây cĩ thể cung cấp đƣợc nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng và chất lƣợng dịch vụ cao hơn. Qua đĩ các giai đoạn phát triển các thế hệ thơng tin di động từ 1G, 2G, 3G và 4G trong tƣơng lai đều gắn chặt với nhu cầu của ngƣời dùng thơng qua các tốc độ dịch vụ của các thế hệ.

Hiện nay, phần lớn các nhà khai thác viễn thơng lớn trên thế giới đều lên kế hoạch thực hiện 4G cho các vùng đơ thị, nơi mà cĩ nhiều các tổ chức, cơng ty cũng nhƣ số lƣợng khách hàng lớn - các đối tƣợng mà luơn mong muốn các dịch vụ chất lƣợng tốt và tốc độ truyền dữ liệu cao. Tuy nhiên, trƣớc mắt các nhà đầu tƣ sẽ tiếp tục cung cấp các dịch vụ 3G cũng nhƣ 3,5G và nĩ đƣợc xem nhƣ là quá trình thực hiện từng bƣớc cho 4G. Điều này khơng chỉ giúp họ tiếp tục mở rộng vùng phủ sĩng, gia tăng số lƣợng khách hàng và giúp thu hồi vốn đã đầu tƣ cho 3G. Với ngƣời dùng, họ cĩ thể chuyển dễ dàng sang cơng nghệ 4G, bởi đơn giản với họ đĩ chỉ là sự mở rộng các ứng dụng của mạng 3G hay 3,5G mà họ đang dùng.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chƣơng 2

HỆ THỐNG TRUY NHẬP VƠ TUYẾN UMTS 3G 2.1. NGUYÊN LÝ CDMA

2.1.1. Nguyên lý trải phổ CDMA

Theo nguyên lý dung lƣợng kênh truyền của Shannon đƣợc mơ tả trong (1.1), thì dung lƣợng kênh truyền cĩ thể đƣợc tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.

C B.log (12 S )

N

  (1.1)

Trong đĩ B là băng thơng (Hz), C là dung lƣợng kênh (bit/s), S là cơng suất tín hiệu và N là cơng suất tạp âm.

Vì vậy, với một tỉ số S/N cụ thể, dung lƣợng tăng lên nếu băng thơng sử dụng để truyền tăng. CDMA là cơng nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trƣớc khi truyền đi. Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của thơng tin cần truyền đƣợc gọi là độ lợi xử lý (GP ) hoặc là hệ số trải phổ.

t p i B G B  hoặc p B G R  (1.2) Trong đĩ Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin B : là độ rộng băng tần RF

R : là tốc độ thơng tin

Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0 (trong đĩ Eb là năng lƣợng trên một bit và I0 là mật độ phổ năng lƣợng tạp âm) thể hiện trong cơng thức sau :

0 0 1 b b p R S N B E E I I G      (1.3)

Do vậy, với một yêu cầu Eb/I0 xác định và độ lợi xử lý càng cao, thì tỷ số S/N yêu cầu càng thấp. Đối với hệ thống CDMA đầu tiên là CDMA IS-95, băng thơng truyền dẫn là 1,25MHz và về sau trong hệ thống WCDMA, băng thơng truyền khoảng 5MHz.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.2. Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ

Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống DS- CDMA. Dữ liệu ngƣời sử dụng giả sử là chuỗi bit đƣợc điều chế BPSK cĩ tốc độ là

R. Hoạt động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu ngƣời sử dụng với một chuỗi n

bit mã, đƣợc gọi là các chip. Ở đây, ta lấy n=8 thì hệ số trải phổ là 8, nghĩa là khi thực hiện điều chế trải phổ BPSK thì kết quả tốc độ dữ liệu sẽ là 8xR và cĩ dạng xuất hiện ngẫu nhiên nhƣ là mã trải phổ. Việc tăng tốc độ dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tín hiệu dữ liệu ngƣời sử dụng đƣợc trải ra. Tín hiệu băng rộng này sẽ đƣợc truyền qua các kênh vơ tuyến đến đầu cuối thu.

Hình 2-1 Quá trình trải phổ và giải trải phổ

Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip/dữ liệu ngƣời sử dụng trải phổ đƣợc nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã đƣợc sử dụng trong quá trình trải phổ. Nhƣ trên hình vẽ tín hiệu ngƣời sử dụng ban đầu đƣợc khơi phục hồn tồn.

2.1.3. Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

Một mạng thơng tin di động là một hệ thống nhiều ngƣời sử dụng, trong đĩ một số lƣợng lớn ngƣời sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung để truyền và nhận thơng tin. Dung lƣợng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ thống. Trong lịch sử thơng tin di động đã tồn tại các cơng nghệ đa truy nhập khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA. Sự khác nhau giữa chúng đƣợc chỉ ra trong hình 2-2.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2-2 Các cơng nghệ đa truy nhập

Trong hệ thống CDMA, các tín hiệu cho ngƣời sử dụng khác nhau đƣợc truyền đi trong cùng một băng tần tại cùng một thời điểm. Mỗi tín hiệu ngƣời sử dụng đĩng vai trị nhƣ là nhiễu đối với tín hiệu của ngƣời sử dụng khác, do đĩ dung lƣợng của hệ thống CDMA gần nhƣ là mức nhiễu và khơng cĩ con số lớn nhất cố định nên dung lƣợng của hệ thống CDMA đƣợc gọi là dung lƣợng mềm.

Hình 2-3 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 ngƣời sử dụng cĩ thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA.

Hình 2-3 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ

Tại bên thu, ngƣời sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thơng tin của nĩ trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ khơng phải tín hiệu của bất cứ ngƣời nào khác. Bởi vì sự tƣơng quan chéo giữa mã của ngƣời sử dụng mong muốn và các mã của ngƣời sử dụng khác là rất nhỏ.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xử lý đem lại nhiều lợi ích cho các hệ thống CDMA, nhƣ hiệu suất phổ cao và dung lƣợng mềm. Tuy nhiên, tất cả những lợi ích đĩ yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiển cơng suất một cách nghiêm ngặt và chuyển giao mềm nhằm để tránh cho tín hiệu của ngƣời sử dụng này che thơng tin của ngƣời sử dụng khác.

2.2. MỘT SỐ ĐẶC TRUNG LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG TRUY NHẬP WCDMA NHẬP WCDMA

2.2.1. Phƣơng thức song cơng.

Hai phƣơng thức song cơng đƣợc sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song cơng phân chia theo thời gian (TDD) và song cơng phân chia theo tần số (FDD). Phƣơng pháp FDD cần hai băng tần cho đƣờng lên và đƣờng xuống. Phƣơng thức TDD chỉ cần một băng tần. Thơng thƣờng phổ tần số đƣợc bán cho các nhà khai thác theo các dải cĩ thể bằng 2x10MHz hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển. Mặc dù cĩ một số đặc điểm khác nhau nhƣng cả hai phƣơng thức đều cĩ tổng hiệu suất gần giống nhau. Chế độ TDD khơng cho phép giữa máy di động và trạm gốc cĩ trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát. Vì vậy mà chế độ TDD phù hợp với các mơi trƣờng cĩ trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell. Một ƣu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đƣờng lên và đƣờng xuống cĩ thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng cĩ đặc tính bất đối xứng giữa đƣờng lên và đƣờng xuống, chẳng hạn nhƣ Web browsing. Trong quá trình hoạch định mạng, các ƣu điểm và nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp này cĩ thể bù trừ. Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu chế độ FDD.

Hình dƣới đây chỉ ra sơ đồ phân bố phổ tần số của hệ thống UMTS Châu Âu.

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 MHz Đơn băng Đơn băng Song băng

Đường lên Đường xuống

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.2. Dung lƣợng mạng

Kết quả của việc sử dụng cơng nghệ đa truy nhập trải phổ CDMA là dung lƣợng của các hệ thống UMTS khơng bị giới hạn cứng, cĩ nghĩa là một ngƣời sử dụng cĩ thể bổ sung mà khơng gây ra nghẽn bởi số lƣợng phần cứng hạn chế. Hệ thống GSM cĩ số lƣợng các liên kết và các kênh cố định chỉ cho phép mật độ lƣu lƣợng lớn nhất đã đƣợc tính tốn và hoạch định trƣớc nhờ sử dụng các mơ hình thống kê. Trong hệ thống UMTS bất cứ ngƣời sử dụng mới nào sẽ gây ra một lƣợng nhiễu bổ sung cho những ngƣời sử dụng đang cĩ mặt trong hệ thống, ảnh hƣởng đến tải của hệ thống. Nếu cĩ đủ số mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ cấu giới hạn dung lƣợng chính trong mạng. Việc các cell bị co hẹp lại do tải cao và việc tăng dung lƣợng của các cell mà các cell lân cận nĩ cĩ mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lƣợng xác định nhiễu trong các mạng CDMA. Chính vì thế mà trong các mạng CDMA cĩ đặc điểm “dung lƣợng mềm”. Đặc biệt, khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì các cơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở nên phức tạp.

2.2.3. Các kênh giao diện vơ tuyến UTRA FDD

Giao diện vơ tuyến UTRA FDD cĩ các kênh logic, chúng đƣợc ánh xạ vào các kênh chuyển vận, các kênh chuyển vận lại ánh xạ vào kênh vật lý. Hình vẽ sau chỉ ra sơ đồ các kênh và sự ánh xạ của chúng vào các kênh khác.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.4. Cấu trúc Cell.

Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập mơi trƣờng của ngƣời sử dụng. Các mơi trƣờng nơng thơn ngồi trời, đơ thị ngồi trời, hay đơ thị trong nhà đƣợc hỗ trợ bên cạnh các mơ hình di động khác nhau gồm ngƣời sử dụng tĩnh, ngƣời đi bộ đến ngƣời sử dụng trong mơi trƣờng xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao. Để yêu cầu một vùng phủ sĩng rộng khắp và khả năng roaming tồn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sĩng khác nhau. Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ tồn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất UTRAN. Mỗi lớp đƣợc xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ. Vì vậy các cell nhỏ đƣợc xây dựng để hỗ trợ mật độ ngƣời sử dụng cao hơn. Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lƣợng cho các vùng mật độ dân số cao. Các cell pico đƣợc dùng cho các vùng đƣợc coi nhƣ là các “điểm nĩng” yêu cầu dung lƣợng cao trong các vùng hẹp (ví dụ nhƣ sân bay…). Những điều này tuân theo 2 nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các cell nhỏ hơn cĩ thể đƣợc sử dụng để tăng dung lƣợng trên một vùng địa lý, các cell lớn hơn cĩ thể mở rộng vùng phủ sĩng.

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3. CẤU TRÚC HỆ THỐNG VƠ TUYẾN UMTS

Một hệ thống UMTS sau khi đƣợc nâng cấp và mở rộng từ hệ thống GSM hiện cĩ thì cấu trúc hệ thống cĩ thể đƣợc mơ tả tổng quan nhƣ sau:

Hình 2-7 Cấu trúc tổng thể hệ thống UMTS/GSM.

Trong đĩ UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vơ tuyến (RNS), một RNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vơ tuyến (RNC) và một hay nhiều Node-B.

Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN: - Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động đến thiết kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng thơng qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và các thuật tốn quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến đặc biệt của WCDMA.

UMTS/GSM Network GMSC HLR EIR AUC SCF SMS- IWMSC AN CN External Networks UE D MSC E, G SMS- GMSC MSC BSC BTS Um SIM MT Abis A ISDN PSTN PSPDN CSPDN PDN: -Intranet -Extranet -Internet BSS Note:

Not all interfaces shown and named

F Gr GGSN Gd, Gp, Gn+ SGSN SGSN Gb Gf Gn+ H RNC BS Uu Iur USI M M E RNC BS Uu USI M M E Iub Iub Iu Cu Cu RNS RNS UTRAN MGW

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Làm tăng sự tƣơng đồng trong việc điều khiển dữ liệu chuyển mạch gĩi và chuyển mạch kênh với một ngăn xếp giao thức giao diện vơ tuyến duy nhất và với việc sử dụng cùng một giao diện cho các kết nối từ UTRAN đến miền chuyển mạch gĩi và chuyển mạch kênh của mạng lõi.

- Làm tăng tính tƣơng đồng với GSM.

- Sử dụng kiểu chuyển vận trên cơ sở IP nhƣ là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Release 5 trở đi.

- Các thiết bị UTRAN với chi phí CAPEX và OPEX đƣợc tiết kiệm tối đa. Đồng thời các thiết bị UTRAN đƣợc thiết kế module hĩa và cĩ tính linh hoạt hợp lý cho việc mở rộng dung lƣợng trong tƣơng lai. Hệ thống UTRAN cĩ khả năng nâng cấp lên phiên bản phần mềm cao hơn mà chỉ gây ra tác động rất nhỏ tới hoạt động thơng thƣờng của hệ thống.

2.3.1 Node-B

Node-B là một thuật ngữ sử dụng trong UMTS để biểu thị BTS (trạm thu phát gốc) và sử dụng cơng nghệ WCDMA trên đƣờng vơ tuyến. Cũng nhƣ trong tất cả các hệ thống tổ ong UMTS và GSM, Node B thực hiện việc thu phát tần số vơ tuyến để liên lạc trực tiếp với các máy di động di chuyển tự do xung quanh nĩ.

Một cách truyền thống, các Node B cĩ những chức năng tối thiểu về thu phát vơ tuyến và đƣợc điều khiển bởi RNC (Radio Network Controller). Việc sử dụng cơng nghệ WCDMA cho phép một cell thuộc một Node B hoặc các Node B khác nhau cùng đƣợc quản lý bởi các RNC khác nhau để chồng lên nhau và vẫn sử dụng một tần số giống nhau (trên thực tế, tồn bộ mạng cĩ thể dùng chỉ một cặp tần số).

Node B bao gồm các loại cấu hình: Macro Indoor, Macro Outdoor, Mini Indoor, Mini outdoor, Micro Indoor, Micro Outdoor, Pico,...

2.3.2 RNC (Radio Network Control)

RNC là một thành phần trong mạng truy nhập vơ tuyến UTMS. RNC về cơ bản cĩ những chức năng giống BSC trong hệ thống BSS GSM:

- Trung gian giữa trạm gốc (Node B trong UMTS) và hệ thống mạng lõi; - Điều khiển cuộc gọi vơ tuyến (quản lý tài nguyên vơ tuyến, điều khiển và quản lý chuyển giao cuộc gọi …);

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

RNC đƣợc kết nối đến: - Mạng lõi, qua giao tiếp Iu.

- Các Node B qua giao tiếp Iub. Một Node B thực hiện giao tiếp vơ tuyến với một hoặc nhiều cell.

- Một số RNC lân cận qua giao tiếp Iur.

2.3.3 Các giao diện mở cơ bản của UMTS

- Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thơng minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thơng minh.

- Giao diện Uu: Đây là giao diện vơ tuyến WCDMA. Uu là giao diện mà UE