4.9.1. Cấu trỳc tổng quỏt
Hỡnh 4.8 Cấu trỳc hệ thống W-CDMA trong 3GPP 1999 4.9.2. Cỏc phần tử cơ bản của mạng W-CDMA UMTS và cỏc giao diện
Về mặt chức năng, cỏc phần tử mạng được nhúm thành mạng truy nhập vụ tuyến (RAN: Radio Access Network hay UTRAN): để thực hiện chức năng liờn quan đến vụ tuyến và mạng lừi (CN = core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Từ quan điểm chuẩn hoỏ, cả UE và UTRAN đều bao gồm cỏc giao thức mới nhưng mạng lừi được xõy dựng dựa trờn GSM và GPRS. Điều này cho phộp hệ thống với cụng nghệ vụ tuyến mới mang tớnh toàn cầu dựa trờn cụng nghệ CN đó biết và đó phỏt triển.
Hỡnh 4.9 Cỏc phần tử cơ bản của mạng W-CDMA UMTS
USIM= UMTS subscriber Identity Module: Mụ-đun nhận dạng thuờ bao UMTS MS = Mobile Station: Trạm di động
RNC = Radio Network Controller: Bộ điều khiển mạng vụ tuyến
MSC = Mobile Service Switching Center: Trung tõm chuyển mạnh cỏc dịch vụ di động.
VLR= Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trỳ
SGSN = Serving GPRS Support Note: Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ
GMSC = Gateway Mobile Service Switching Center : Trung tõm chuyển mạnh cỏc dịch vụ di động cổng.
GGSN= Gateway GPRS Support Note Điểm hỗ trợ GPRS cổng . HLR = Home Location Register : Bộ ghi định vị thường trỳ.
UTRAN = UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS.
CN = Core Network : Mạng lừi
PLMN= Public Land Mobile Network : Mạng di động cụng cộng mặt đất
PSTN = Public Switch Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch cụng cộng.
ISDN = Integrated Service Digital Network: mạng số liờn kết đa dịch vụ. ME = Mobile Equipment:Thiết bị di động.
MSC/VLR = Mobile Services Switching Center / Visitor Location Register: Trung tõm chuyển mạch cỏc dịch vụ di động/ Bộ ghi định vị tạm trỳ.
GPRS = General Packet Radio Service : Dịch vụ vụ tuyến gúi tổng hợp .
4.9.2.1.UE (User Equipment-Thiết bị của ngƣời sử dụng)
- Thiết bị di động ( ME : Mobile Equipment) là đầu cuối vụ tuyến được sử dụng cho thụng tin vụ tuyến trờn giao diện Uu.
- Mụdun nhận dạng thuờ baoUMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module) là một thẻ thụng minh chứa nhận dạng thuờ bao, thực hiện cỏc thuật toỏn nhận thực và lưu giữ cỏc khoỏ nhận thực và một số thụng tin thuờ bao cần thiết cho đầu cuối.
4.9.2.2. Nỳt B:
Để chuyển đổi dũng số liệu giữa cỏc giao diện IuB và Uu . Nú cũng tham gia quản lý tài nguyờn vụ tuyến ( Thuật ngữ nỳt B cú cựng ý nghĩa như trạm gốc BTS).
4.9.2.3. Bộ điều khiển mạng vụ tuyến (RNC):
Sỡ hữu và điều khiển cỏc tài nguyờn vụ tuyến ở trong vựng của mỡnh ( cỏc nỳt B được nối với nú ). RNC là điểm truy nhập tất cả cỏc dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lừi CN, chẳng hạn quản lý tất cả cỏc kết nối đến UE.
4.9.2.4. Cỏc phần tử chớnh của mạng lừi:
- Bộ định vị thường trỳ (HLR) là một cơ sở dữ liệu để lưu giữ lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Lý lịch dịch vụ này gồm: Thụng tin về cỏc dịch vụ được phộp, cỏc vựng khụng được chuyển mạng và thụng tin về cỏc dịch vụ bổ sung như: trạng thỏi chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- Trung tõm chuyển mạch cỏc dịch vụ di dộng / Bộ ghi định vị tạm trỳ (MSC/VLR) là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh cho UE tại vị trớ hiện thời của nú . Chức năng của MSC là sử dụng cỏc giao dịch chuyển mạch kờnh và chức năng của VLR là lưu giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng khỏch cũng như vị trớ chớnh xỏc hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ. Phần mạng được truy nhập qua MSC/ VLR thường được gọi là vựng CS (Circuit Switch).
- Trung tõm chuyển mạnh cỏc dịch vụ di động cổng (GMSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng CS bờn ngoài.
- Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) cú chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho cỏc dịch vụ chuyển mạch gúi. Phần mạng được truy nhập qua SGSN được gọi là vựng PS (Packet Switch).
-Điểm hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) cú chức năng giống GMSC nhưng liờn quan đến cỏc dịch vụ PS.
- Cỏc mạng CS: Cỏc mạng này đảm bảo cỏc kết nối chuyển mạch kờnh giống như cỏc dịch vụ điện thoại. ISDN và PSTN là cỏc vớ dụ về cỏc mạng CS.
- Cỏc mạng PS: cỏc mạng này đảm bảo kết nối cho cỏc dịch vụ chuyển mạch gúi. Internet là một thớ dụ về mạng PS.
4.9.2.5.Cỏc loại giao diện:
- Giao diện Cu: Là giao diện giữa thẻ thụng minh USIM và ME. Giao diện này tuõn theo một khuụn dạng tiờu chuẩn cho cỏc thẻ thụng minh.
-Giao diện Uu: Đõy là giao diện vụ tuyến của W-CDMA . Uu là giao diện mà qua đú UE truy nhập cỏc phần tử cố định của hệ thống và vỡ thế nú là giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS.
-Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN. Giống như cỏc giao diện tương ứng ở GSM: A (chuyển mạch kờnh) và Gb (chuyển mạch gúi), giao diện Iu cung cấp cho cỏc nhà khai thỏc khả năng trang bị UTRAN và CN từ cỏc nhà sản xuất khỏc nhau.
- Giao diện Iur: Giao diện mở Iur cho phộp chuyển giao mềm giữa cỏc RNC từ cỏc nhà sản xuất khỏc nhau.
-Giao diện IuB. IuB kết nối một nỳt B với một RNC, UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu tiờn trong đú giao diện giữa bộ điều khiển và trạm gốc được tiờu chuẩn hoỏ như là một giao diện mở hoàn toàn.
4.9.3. Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất UMTS, UTRAN
Hỡnh 4.10 Cấu trỳc UTRAN
UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vụ tuyến (RNS : Radio Network Subsystem). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và gồm một bộ
phận điều khiển mạng vụ tuyến (RNC) và một hay nhiều nỳt B. Cỏc RNC cú thể được kết nối với nhau bằng giao diện Iur. Cỏc RNC và cỏc nỳt B được kết nối với nhau bằng giao diện IuB. UTRAN hỗ trợ chuyển giao mềm (một đầu cuối kết nối với mạng qua hai hay nhiều ụ tớch cực).
UTRAN đảm bảo tớnh chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kờnh và chuyển mạch gúi bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vụ tuyến duy nhất và bằng cỏch sử dụng cựng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai vựng PS và CS của mạng lừi. UTRAN sử dụng cơ chế truyền tải chớnh là ATM (Asynchronous Transfer Mode).
Bộ điều khiển mạng vụ tuyến
RNC là phần tử mạng chịu trỏch nhiệm điều khiển cỏc tài nguyờn vụ tuyến của UTRAN. Nú giao diện với CN (thụng thường với một MSC và một SGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyờn vụ tuyến (RRC: Radio Resource Control), giao thức này định nghĩa cỏc bản tin và cỏc thủ tục giữa MS và UTRAN. RNC đúng vai trũ như BSC.
Vai trũ logic của RNC
RNC điều khiển nỳt B (Kết cuối giao diện IuB về phớa nỳt B) được biểu thị như là RNC điều khiển (CRNC-Controlling RNC) của nỳt B. RNC điều khiển chịu trỏch nhiệm điều khiển tải và tắc nghẽn cho cỏc ụ của mỡnh.
Khi một kết nối MS- UTRAN sử dụng nhiều tài nguyờn từ nhiều RNC, cỏc RNC tham dự vào kết nối này sẽ cú hai vai trũ logic riờng biệt:
RNC phục vụ (Serving RNC). SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả bỏo hiệu RANAP (Radio Access Network Application Part phần ứng dụng mạng truy nhập vụ tuyến), tương ứng từ/tới mạng lừi (kết nối này được gọi là kết nối RANAP). SRNC cũng kết cuối bỏo hiệu điều khiển tài nguyờn vụ tuyến: giao thức bỏo hiệu giữa UE và UTRAN. Nú xử lý số liệu L2 từ/tới giao diện vụ tuyến như sắp xếp cỏc thụng số vật mang truy nhập vụ tuyến vào cỏc thụng số kờnh truyền tải giao diện vụ tuyến.
SRNC cũng (nhưng khụng luụn luụn) là CRNC của một nỳt B nào đú được MS sử dụng để kết nối với UTRAN.
RNC trụi (DRNC: Drift RNC). DRNC là một RNC bất kỳ khỏc với SRNC để điều khiển cỏc ụ được MS sử dụng. DRNC khụng thực hiện xử lý L2 đối với số liệu tới/từ giao diện vụ tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa cỏc giao diện IuB và Iur một UE cú thể khụng cú hoặc cú một hay nhiều DRNC.
Lưu ý rằng một RNC vật lý chứa tất cả cỏc chức năng của CRNC, SRNC và DRNC.
Nỳt B(trạm gốc).
Chức năng chớnh của nỳt B là thực hiện xử lý L1 của giao diện vụ tuyến (mó hoỏ kờnh, đan xen, thớch ứng tốc độ, trải phổ,...). Nú cũng thực hiện một phần khai thỏc quản lý tài nguyờn vụ tuyến như điều khiển cụng suất vũng trong. Về phần chức năng nú giống như trạm gốc ở GSM.
Hỡnh 4.11 Cỏc chức năng logic của RNC đối với một kết nối UTRAN
Hỡnh phớa trỏi cho thấy một UE đang ở chuyển giao mềm giữa cỏc RNC ( kết hợp được thực hiện ở SRNC). Hỡnh phải thể hiện một UE chỉ sử dụng tài nguyờn vụ tuyến từ một nỳt B được điều khiển bởi DRNC nay đó trở thành SRNC.
4.10. Giao diện vụ tuyến
Cấu trỳc giao thức của giao diện Uu.
Giao diện vụ tuyến được phõn thành 3 lớp giao thức: - Lớp vật lý (L1).
- Lớp đoạn nối số liệu (L2).
- Lớp mạng (L3).
- MAC (Medium Access Control: Điều khển truy nhập mụi trường).
- RLC (Radio Link Control: Điều khiển đoạn nối).
- PDCP (Packet Data Convergence Protocol): Giao thức hội tụ số liệu gúi).
-BMC (Broadcast/Multi-cast Control: điều khiển quảng bỏ đa phương).
Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vụ tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vụ tuyến.
Để truyền thụng tin ở giao diện vụ tuyến, cỏc lớp cao phải chuyển cỏc thụng tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cỏch sử dụng cỏc kờnh logic. MAC xắp xếp cỏc kờnh này lờn cỏc kờnh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chỳng lờn cỏc kờnh vật lý.
Cỏc kờnh logic được chia thành hai nhúm: cỏc kờnh điều khiển truyền thụng tin của mặt phẳng điều khiển và cỏc kờnh lưu lượng để truyền thụng tin của nguời sử dụng.
Cỏc kờnh điều khiển bao gồm:
- Kờnh điều khiển quảng bỏ (BCCH): kờnh đường xuống để phỏt quảng bỏ thụng tin hệ thống.
- Kờnh điều khiển tỡm gọi (PCCH): kờnh đường xuống để phỏt thụng tin tỡm gọi.
- Kờnh điều khiển riờng (DCCH): kờnh hai chiều điểm đến điểm để phỏt thụng tin điều khiển riờng giữa UE và mạng.
- Kờnh điều khiển chung (CCCH): kờnh hai chiều để phỏt thụng tin điều khiển giữa mạng và cỏc UE. Kờnh logic này luụn luụn được sắp xếp lờn cỏc kờnh truyền tải ACH / FACH.
- Kờnh lưu lượng riờng (DTCH): kờnh điểm đến điểm riờng cho một UE để truyền thụng tin của người sử dụng. DTCH là kờnh hai chiều.
- Kờnh lưu lượng chung (CTCH): kờnh một chiều điểm đa điểm để truyền thụng tin của một người sử dụng cho một nhúm. Kờnh này sử dụng ở đường xuống.
4.11. Lớp vật lý của W-CDMA 4.11.1. Mở đầu. 4.11.1. Mở đầu.
Lớp vật lý ảnh hưởng lớn lờn sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối. Cỏc hệ thống thế hệ ba là cỏc hệ thống băng rộng, vỡ thế cần thiết kế lớp vật lý đảm bảo tớnh linh hoạt cho cỏc dịch vụ tương lai. Lớp vật lý ở W-CDMA do sử dụng cụng nghệ CDMA nờn rất khỏc với lớp vật lý ở GSM và GPRS. Ngoài ra tổ chức cỏc kờnh ở lớp này củng phức tạp hơn thế hệ 2 rất nhiều.
4.11.2. Trải phổ và ngẫu nhiờn hoỏ ở cỏc kờnh vật lý.
Hỡnh 4.12 Quan hệ giữa trải phổ và ngẫu nhiờn hoỏ
W - CDMA sử dụng trải phổ ở tốc độ 3,84 Mchip/s. Một hệ thống thụng tin di động ngoài việc phõn biệt cỏc UE cũn phải phõn biệt cỏc kờnh vật lý, cỏc BTS. W- CDMA thực hiện cỏc yờu cầu này bằng trải phổ và ngẫu nhiờn hoỏ. Đầu tiờn cỏc kờnh khỏc nhau của một UE (hay một BTS) được trải phổ bằng cỏc mó định kờnh ở tốc độ chip 3,84 Mchip/s. Sau đú cỏc kờnh kết hợp với nhau ở bộ cộng tổng và sau đú được ngẫu nhiờn hoỏ bằng một mó ngẫu nhiờn hoỏ phức cú cựng tốc độ chip 3,84Mchip/s riờng cho cỏc UE và BTS. Mó định kờnh trải phổ luồng tớn hiệu kờnh vỡ thế làm tăng tốc độ rộng băng tần, cũn mó ngẫu nhiờn hoỏ cú cựng tốc độ chip thực hiện ngẫu nhiờn hoỏ sau trải phổ nờn khụng làm tăng tốc độ rộng băng tần. Tại đầu
thu, trước trờn kờnh tớn hiệu tổng được giải ngẫu nhiờn bằng một mó tương ứng với UE hoặc BTS sau đú cỏc luồng số kờnh được đưa qua cỏc bộ giải trải phổ để được giải trải phổ bằng cỏc mó định kờnh tương ứng. Như vậy nhiều người sử dụng cú thể sử dụng chung cỏc mó định kờnh. Bảng sau tổng kết chức năng của cỏc mó định kờnh và ngẫu nhiờn hoỏ ở đường xuống và đường lờn.
Cỏc mó ngẫu nhiờn hoỏ:
Mó ngẫu nhiờn đường lờn.
Đường lờn sử dụng cỏc mó ngẫu nhiờn dài và ngắn chu kỳ 10ms để phõn biết cỏc UE khỏc nhau. Cỏc mó dài được cắt ngắn để phự hợp với khung 10ms. ở tốc độ chip 38,4 Mchip/s đoạn cắt ngắn này chứa 38400 chip. Độ dài mó ngắn là 256 chip. Cả hai họ mó đều chứa hàng triệu mó vỡ thế khụng cần quy hoạch mó đường lờn.
Mó ngẫu nhiờn hoỏ dài đường lờn.
Mó này là mó dài dạng phức Slong,n được tạo ra từ hai chuỗi ngẫu nhiờn dài Clong,
1,n và Clong, 2,n theo quan hệ sau:
) ( ) ( ) ( , , , i S i jS i
Slongn longI n longQ n
1 ( 1) (2 /2) ) ( ,2, , 1 , i j C i Clong n i long n ,... 2 , 1 , 0 i [] Làm trũn đến số nguyờn thấp hơn gần nhất.
Mó ngẫu nhiờn đường xuống:
Đường xuống sử dụng mó ngẫu nhiờn dài được cắt ngắn cho phự hợp với độ dài khung 10ms để phõn biệt cỏc BTS khỏc nhau ở tốc độ chip 3,84 Mchip/s đoạn cắt ngắn này chứa 384000 chip.
4.11.3.Cỏc mó định kờnh.
Cỏc mó để định kờnh và trải phổ ở giao diện vụ tuyến được xõy dựng trờn cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF = Orthogonal Variable Spreading Factor ).
Việc sử dụng OVSF cho phộp thay đổi cỏc hệ số trải phổ khỏc nhau và đảm bảo tớnh trực giao giữa cỏc mó trải phổ cú độ dài khỏc nhau. Cỏc mó được chọn từ cõy mó.
Định nghĩa đối với cựng một cõy mó cú nghĩa là: Truyền dẫn từ một nguồn, từ hoặc một UE hoặc một BTS, một cõy mó được sử dụng cựng với một mó ngẫu nhiờn hoỏ ở đỉnh cõy. Nghĩa là cỏc UE và cỏc BTS khỏc nhau cú thể sử dụng cỏc cõy mó hoàn toàn độc lập với nhau, khụng cần thiết phải kết hợp sử dụng tài nguyờn cõy mó giữa cỏc UE và BTS khỏc nhau.
Hỡnh 4.13 Cấu trỳc cõy của mó định kờnh
Cỏc mó định kờnh ở sơ đồ trờn được ký hiệu là Cch, SF, k, trong đú ch (channel) là kờnh, SF (Spreading Factor) là hệ số trải phổ là tỷ số của tốc độ trải phổ chia cho tốc độ ký hiệu của tớn hiệu đưa lờn trải phổ và nú cũng bằng chu kỳ (độ dài) của chuỗi trải phổ. Mỗi cõy mó được xỏc định bởi một mó ngẫu nhiờn hoỏ nhận dạng BTS hoặcUE.
Phương phỏp xỏc định mó định kờnh được xõy dựng trờn cơ sở ma trận Hadamard như sau:
Giỏ trị ngoài cũng bờn trỏi trong từng từ mó định kờnh là chip được truyền đầu tiờn.
Để đảm bảo tớnh trực giao giữa cỏc mó trong một cõy mó cần đảm bảo quy định sau cho việc chọn mó định kờnh ở cựng một cõy mó (cựng một BTS hoặc EU): chỉ cú thể sử dụng một mó khi và chỉ khi khụng cú mó nào khỏc được sử dụng ở cựng ụ nằm trờn đường dẫn từ mó này đến gốc cõy hoặc ở cõy con phớa dưới mó này. Cỏc mó trực giao đường xuống trong một trạm gốc được quản lý bởi bộ điều khiển mạng vụ tuyến (RNC) trong mạng.
4.11.4. Cỏc kờnh vật lý đƣờng lờn và đƣờng xuống
Cỏc kờnh vật lý là cỏc kờnh mang thụng tin số liệu của người sử dụng và thụng