6. KẾT CẤU
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Mới thực sự phỏt triển trong vũng 20 năm, nhưng những bước tiến trong cụng nghệ cũng như trong sự phỏt triển thị trường của mạng di động cho thấy thụng tin di động là một nhu cầu thiết yếu và quan trọng đối với người dựng. Đến nay, điện thoại di khụng chỉ dựng để gọi điện, nhắn tin SMS mà cũn cú thể gửi và nhận MMS, email; lưu cỏc tệp õm thanh, hỡnh ảnh, dữ liệu cựng chức năng nghe nhạc, giải trớ; lướt web, xem TV trực tuyến…
Cỏc nhà cung cấp dịch vụ và người dựng đều luụn mong muốn và hướng tới cỏc cụng nghệ khụng dõy cú thể cung cấp được nhiều loại hỡnh dịch vụ hơn với tớnh năng và chất lượng dịch vụ cao hơn. Qua đú cỏc giai đoạn phỏt triển cỏc thế hệ thụng tin di động từ 1G, 2G, 3G và 4G trong tương lai đều gắn chặt với nhu cầu của người dựng thụng qua cỏc tốc độ dịch vụ của cỏc thế hệ.
Hiện nay, phần lớn cỏc nhà khai thỏc viễn thụng lớn trờn thế giới đều lờn kế hoạch thực hiện 4G cho cỏc vựng đụ thị, nơi mà cú nhiều cỏc tổ chức, cụng ty cũng như số lượng khỏch hàng lớn - cỏc đối tượng mà luụn mong muốn cỏc dịch vụ chất lượng tốt và tốc độ truyền dữ liệu cao. Tuy nhiờn, trước mắt cỏc nhà đầu tư sẽ tiếp tục cung cấp cỏc dịch vụ 3G cũng như 3,5G và nú được xem như là quỏ trỡnh thực hiện từng bước cho 4G. Điều này khụng chỉ giỳp họ tiếp tục mở rộng vựng phủ súng, gia tăng số lượng khỏch hàng và giỳp thu hồi vốn đó đầu tư cho 3G. Với người dựng, họ cú thể chuyển dễ dàng sang cụng nghệ 4G, bởi đơn giản với họđú chỉ là sự mở rộng cỏc ứng dụng của mạng 3G hay 3,5G mà họđang dựng.
Chương 2. HỆ THỐNG TRUY NHẬP Vễ TUYẾN UMTS 2.1. NGUYấN Lí CDMA
2.1.1. Nguyờn lý trải phổ CDMA
Theo nguyờn lý dung lượng kờnh truyền của Shannon được mụ tả trong (1.1), thỡ dung lượng kờnh truyền cú thểđược tăng lờn bằng cỏch tăng băng tần kờnh truyền. 2 .log (1 S ) C B N = + (1.1)
Trong đú B là băng thụng (Hz), C là dung lượng kờnh (bit/s), S là cụng suất tớn hiệu và N là cụng suất tạp õm.
Vỡ vậy, với một tỉ số S/N cụ thể, dung lượng tăng lờn nếu băng thụng sử dụng để truyền tăng. CDMA là cụng nghệ thực hiện trải tớn hiệu gốc thành tớn hiệu băng rộng trước khi truyền đi. Tỷ sốđộ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của thụng tin cần truyền được 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 đú Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế Bi : độ rộng băng tần của tớn hiệu mang tin B : là độ rộng băng tần RF R : là tốc độ thụng tin
Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0 (trong đú Eb là năng lượng trờn một bit và I0 là mật độ phổ năng lượng tạp õm) thể hiện trong cụng thức sau :
0 0 1 b b p R S N B E E I I G ì = ì ì = (1.3)
Do vậy, với một yờu cầu Eb/I0 xỏc định và độ lợi xử lý càng cao, thỡ tỷ số S/N yờu cầu càng thấp. Đối với hệ thống CDMA đầu tiờn là CDMA IS-95, băng thụng truyền dẫn là 1,25MHz và về sau trong hệ thống WCDMA, băng thụng truyền khoảng 5MHz.
2.1.2. Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ
Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong cỏc hệ thống DS- CDMA. Dữ liệu người sử dụng giả sử là chuỗi bit được điều chế BPSK cú tốc độ là
R. Hoạt động trải phổ chớnh là nhõn mỗi bit dữ liệu người sử dụng với một chuỗi n
bit mó, được gọi là cỏc chip.Ở đõy, ta lấy n=8 thỡ hệ số trải phổ là 8, nghĩa là khi thực hiện điều chế trải phổ BPSK thỡ kết quả tốc độ dữ liệu sẽ là 8xR và cú dạng xuất hiện ngẫu nhiờn như là mó trải phổ. Việc tăng tốc độ dữ liệu lờn 8 lần đỏp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tớn hiệu dữ liệu người sử dụng được trải ra. Tớn hiệu băng rộng này sẽđược truyền qua cỏc kờnh vụ tuyến đến đầu cuối thu.
Hỡnh 2-1 Quỏ trỡnh trải phổ và giải trải phổ
Trong quỏ trỡnh giải trải phổ, cỏc chuỗi chip/dữ liệu người sử dụng trải phổ được nhõn từng bit với cựng cỏc chip mó 8 đó được sử dụng trong quỏ trỡnh trải phổ. Như trờn hỡnh vẽ tớn hiệu người sử dụng ban đầu được khụi phục hoàn toàn.
2.1.3. Kỹ thuật đa truy nhập CDMA
Một mạng thụng tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong đú một số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyờn vật lý chung để truyền và
nhận thụng tin. Dung lượng đa truy nhập là một trong cỏc yếu tố cơ bản của hệ thống. Trong lịch sử thụng tin di động đó tồn tại cỏc cụng nghệ đa truy nhập khỏc nhau : TDMA, FDMA và CDMA. Sự khỏc nhau giữa chỳng được chỉ ra trong hỡnh 2-2.
Hỡnh 2-2 Cỏc cụng nghệđa truy nhập
Trong hệ thống CDMA, cỏc tớn hiệu cho người sử dụng khỏc nhau được truyền đi trong cựng một băng tần tại cựng một thời điểm. Mỗi tớn hiệu người sử dụng đúng vai trũ như là nhiễu đối với tớn hiệu của người sử dụng khỏc, do đú dung lượng của hệ thống CDMA gần như là mức nhiễu và khụng cú con số lớn nhất cố định nờn dung lượng của hệ thống CDMA được gọi là dung lượng mềm.
Hỡnh 2-3 chỉ ra một vớ dụ làm thế nào 3 người sử dụng cú thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA.
Tại bờn thu, người sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tớn hiệu thụng tin của nú trở lại tớn hiệu băng hẹp, chứ khụng phải tớn hiệu của bất cứ người nào khỏc. Bởi vỡ sự tương quan chộo giữa mó của người sử dụng mong muốn và cỏc mó của người sử dụng khỏc là rất nhỏ.
Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quỏ trỡnh xử lý đem lại nhiều lợi ớch cho cỏc hệ thống CDMA, như hiệu suất phổ cao và dung lượng mềm. Tuy nhiờn, tất cả những lợi ớch đú yờu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiển cụng suất một cỏch nghiờm ngặt và chuyển giao mềm nhằm để trỏnh cho tớn hiệu của người sử dụng này che thụng tin của người sử dụng khỏc.
2.2. MỘT SỐ ĐẶC TRUNG LỚP VẬT Lí TRONG MẠNG TRUY NHẬP
WCDMA
2.2.1. 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 bộđiều khiển. Mặc dự cú một sốđặc điểm khỏc nhau nhưng cả hai phương thức đều cú tổng hiệu suất gần giống nhau. Chếđộ TDD khụng cho phộp giữa mỏy di động và trạm gốc cú trễ truyền lớn, bởi 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 ở cỏc pico cell. 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 Web browsing. Trong quỏ trỡnh hoạch định mạng, cỏc ưu điểm và nhược điểm của hai phương phỏp này cú thể bự trừ. Luận văn này chỉ tập trung nghiờn cứu chếđộ FDD.
1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 MHz ẹụn baờng ẹụn baờng Song baờng ẹửụứng leõn ẹửụứng xuoỏng
Hỡnh 2-4 Phõn bố phổ tần cho UMTS chõu Âu.
2.2.2. 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 bởi số lượng phần cứng hạn chế. Hệ thống GSM cú số lượng cỏc liờn kết và cỏc kờnh cố định chỉ cho phộp mật độ lưu lượng lớn nhất đó được tớnh toỏn và hoạch định trước nhờ sử dụng cỏc mụ hỡnh thống kờ. Trong hệ thống UMTS bất cứ người sử dụng mới nào sẽ gõy ra một lượng nhiễu bổ sung cho những người sử dụng đang cú mặt trong hệ thống, ảnh hưởng 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 mà 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 trở nờn phức tạp.
2.2.3. Cỏc kờnh giao diện vụ tuyến UTRA FDD
Giao diện vụ tuyến UTRA FDD cú cỏc kờnh logic, chỳng được ỏnh xạ vào cỏc kờnh chuyển vận, cỏc kờnh chuyển vận lại ỏnh xạ vào kờnh vật lý. Hỡnh vẽ sau chỉ ra sơđồ cỏc kờnh và sự ỏnh xạ của chỳng vào cỏc kờnh khỏc.
Hỡnh 2-5 Sơ đồ ỏnh xạ giữa cỏc kờnh khỏc nhau.
2.2.4. Cấu trỳc Cell.
Trong suốt quỏ trỡnh thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chỳ ý nhiều hơn đến sự phõn tập mụi trường của 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 bộđến 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 bởi cỏc cell càng nhỏ. Vỡ vậy cỏc cell nhỏ được xõy dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn. Cỏc cell macro đề nghị cho vựng phủ mặt đất rộng kết hợp với cỏc micro cell để tăng dung lượng cho cỏc vựng mật độ dõn số cao. Cỏc cell pico 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 2 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 mở rộng vựng phủ súng.
Hỡnh 2-6 Cấu trỳc cell UMTS.
2.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG Vễ TUYẾN UMTS
Một hệ thống UMTS sau khi được nõng cấp và mở rộng từ hệ thống GSM hiện cú thỡ cấu trỳc hệ thống cú thểđược mụ tả tổng quan như sau:
Hỡnh 2-7 Cấu trỳc tổng thể hệ thống UMTS/GSM.
Trong đú UTRAN bao gồm một hay nhiều phõn hệ mạng vụ tuyến (RNS), một RNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộđiều khiển mạng vụ tuyến (RNC) và một hay nhiều Node-B.
Cỏc yờu cầu chớnh để thiết kế kiến trỳc, giao thức và chức năng UTRAN: - Tớnh hỗ trợ của UTRAN và cỏc chức năng liờn quan: Yờu cầu tỏc động đến thiết kế của UTRAN là cỏc yờu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối tới mạng thụng qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và cỏc thuật toỏn quản lý nguồn tài nguyờn vụ tuyến đặc biệt của WCDMA.
- Làm tăng sự tương đồng trong việc điều khiển dữ liệu chuyển mạch gúi và chuyển mạch kờnh với một ngăn xếp giao thức giao diện vụ tuyến duy nhất và với việc sử dụng cựng một giao diện cho cỏc kết nối từ UTRAN đến miền chuyển mạch gúi và chuyển mạch kờnh của mạng lừi.
- Làm tăng tớnh tương đồng với GSM. 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 ME Iub Iub Iu Cu Cu RNS RNS UTRAN MGW
- Sử dụng kiểu chuyển vận trờn cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Release 5 trởđi.
- Cỏc thiết bị UTRAN với chi phớ CAPEX và OPEX được tiết kiệm tối đa. Đồng thời cỏc thiết bị UTRAN được thiết kế module húa và và cú tớnh linh hoạt hợp lý cho việc mở rộng dung lượng trong tương lai. Hệ thống UTRAN cú khả năng nõng cấp lờn phiờn bản phần mềm cao hơn mà chỉ gõy ra tỏc động rất nhỏ tới hoạt động thụng thường của hệ thống.
2.3.1 Node-B
Node-B là một thuật ngữ sử dụng trong UMTS để biểu thị BTS (trạm thu phỏt gốc) và sử dụng cụng nghệ WCDMA trờn đường vụ tuyến. Cũng như trong tất cả cỏc hệ thống tổ ong UMTS và GSM, Node B thực hiện việc thu phỏt tần số vụ tuyến để liờn lạc trực tiếp với cỏc mỏy di động di chuyển tự do xung quanh nú.
Một cỏch truyền thống, cỏc Node B cú những chức năng tối thiểu về thu phỏt vụ tuyến và được điều khiển bởi RNC (Radio Network Controller). Việc sử dụng cụng nghệ WCDMA cho phộp một cell thuộc một Node B hoặc cỏc Node B khỏc nhau cựng được quản lý bởi cỏc RNC khỏc nhau để chồng lờn nhau và vẫn sử dụng một tần số giống nhau (trờn thực tế, toàn bộ mạng cú thể dựng chỉ một cặp tần số).
Node B bao gồm cỏc loại cấu hỡnh: 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 vụ tuyến UTMS. RNC về cơ bản cú những chức năng giống BSC trong hệ thống BSS GSM:
- Trung gian giữa trạm gốc (Node B trong UMTS) và hệ thống mạng lừi; - Điều khiển cuộc gọi vụ tuyến (quản lý tài nguyờn vụ tuyến, điều khiển và quản lý chuyển giao cuộc gọi …);
RNC được kết nối đến: - Mạng lừi, qua giao tiếp Iu.
- Cỏc Node B qua giao tiếp Iub. Một Node B thực hiện giao tiếp vụ tuyến với một hoặc nhiều cell.
- Một số RNC lõn cận qua giao tiếp Iur.
2.3.3 Cỏc giao diện mở cơ bản của UMTS
- Giao diện Cu: Đõy là giao diện giữa thẻ thụng minh USIM và ME. Giao diện này tuõn theo tiờu chuẩn cho cỏc thẻ thụng minh.
- Giao diện Uu: Đõy là giao diện vụ tuyến WCDMA. Uu là giao diện mà UE truy cập được với phần cố định của hệ thống và đõy là phần giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS.
- Giao diện Iu: Giao diện này kết nối UTRAN tới mạng lừi. Tương tự như cỏc giao diện tương thớch trong GSM như là giao diện A (đối với chuyển mạch kờnh) và Gb (đối với chuyển mạch gúi). Giao diện Iu đem lại cho cỏc bộđiều khiển UMTS khả năng xõy dựng được UTRAN và CN từ cỏc nhà sản xuất khỏc nhau.
- Giao diện Iur: Giao diện mở Iur hỗ trợ chuyển giao mềm giữa cỏc RNC từ cỏc nhà sản xuất khỏc nhau và vỡ thế bổ sung cho giao diện mở Iu.
- Giao diện Iub: Iub kết nối một Node B và một RNC. UMTS là một hệ thống điện thoại di động mang tớnh thương mại đầu tiờn mà giao diện giữa bộđiều