Đề tài Nghiên cứu thuật toán điều khiển công suất trong W-CDMA

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn i LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã có những bước phát triển mang tính chất đột phá mạnh mẽ, đủ khả cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng và đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay, thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến những bước dài trên con đường công nghệ. Trong thế kỷ XXI, thế giới đã chứng kiến sự phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng. Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng, đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện nên công nghệ băng rộng đã ra đời thay thế cho các công nghệ cũ không còn phù hợp với xu thế phát triển của công nghệ thông tin. Với khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ băng rộng đã dần chiếm lĩnh thị trường viễn thông. Có nhiều chuẩn thông tin di động thế hệ ba được đề xuất, trong đó chuẩn WCDMA đã được ITU chấp nhận và hiện nay đang được triển khai ở một số khu vực. Hệ thống thông tin di động W-CDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, IS-13. Công nghệ CDMA đang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động trên toàn thế giới, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu. Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động nói chung và trong W-CDMA nói riêng là một trong những khâu quan trọng nhất nhằm hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa đến chất lượng dịch vụ thoại, tăng khả năng chống lại fading, nhiễu vốn là đặc trưng của môi trường di động. Từ đó có thể đảm và tối ưu hóa dung lượng cũng như chất lượng hệ thống. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn ii Xuất phát từ xu thế phát triển cũng như tầm quan trọng của việc điều khiển công suất nên em đã quyết định chọn đề tài ”Nghiên cứu thuật toán điều khiển công suất trong W-CDMA”. Đồ án thực hiện nghiên cứu, phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất nhằm tối ưu hoạt động của mạng đồng thời cải thiện chất lượng của hệ thống. Đồ án gồm 4 chương với nội dung chính trong từng chương như sau: Chương 1: giới thiệu các hệ thống thông tin di động Chương này trình bày tổng quan về các hệ thống thông tin di động và sự cần thiết xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Chương 2: giới thiệu chung về công nghệ di động thế hệ ba W-CDMA Chương này sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề cơ bản về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS, sơ lược về những dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba W-CDMA Chương 3: điều khiển công suất trong W-CDMA Chương này sẽ trình bày về ý nghĩa và phân loại các kỹ thuật điều khiển công suất. Từ đó đi sâu vào phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA. Chương 4: phương pháp điều khiển công suất theo bước động và điều khiển công suất phân tán. Chương này nhằm nghiên cứu hai mô hình điều khiển công suất để tối ưu hoạt động của mạng. Trong thời gian làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bài báo tiếng anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót trong quá trình dịch thuật. Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn iii Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Võ Trường Sơn cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa đã giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ tài tốt nghiệp. TP H ồ Chí Minh, Ngày........tháng.........n ăm 2010 SVTH: Bùi Quang Dũng. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................xvi CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..........................................................................................................1 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 ....................................................1 1.2 Hệ thống thống tin di động thế hệ 2 ....................................................3 1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA................................4 1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.........................................5 1.3 Hệ thống thống tin di động thế hệ 3...................................................6 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo .....................................10 Kết luận chương 1.......................................................................................11 CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 W-CDMA.........................................................................................13 2.1 Giới thiệu về W-CDMA...................................................................13 2.2 Đặc điểm..........................................................................................14 2.3 Cấu trúc mạng W-CDMA ................................................................15 2.3.1 Mô hình khái niệm .................................................................15 2.3.2 Mô hình cấu trúc ....................................................................16 2.4 Cấu trúc quản lý tài nguyên...............................................................24 2.5 Cấu trúc phân lớp của WCDMA .......................................................26 2.6 Các loại kênh trong UTRAN.............................................................29 2.6.1 Các kênh logic.........................................................................30 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn v 2.6.2 Các kênh vật lý........................................................................31 2.6.3 Các kênh truyền tải..................................................................34 2.6.3.1 Kênh truyền tải riêng..........................................................34 2.6.3.2 Kênh truyền tải chung ........................................................35 2.7 Trải phổ trong W-CDMA................................................................36 2.8 Chuyển giao ....................................................................................39 2.8.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động ....................39 2.8.2 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA...............39 Kết luận chương 2.......................................................................................43 CHƯƠNG 3 - ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG W-CDMA ..........44 3.1 Kênh truyền vô tuyến ........................................................................44 3.1.1 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi rộng ..................................46 3.2.2 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi hẹp....................................46 3.2 Ý nghĩa của việc điều khiển công suất ..............................................46 3.3 Phân loại điều khiển công suất .........................................................49 3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và tập trung ..............................49 3.3.2 Điều khiển công suất cho đường lên và đường xuống ..............50 3.3.3 Điều khiển công suất theo phương pháp đo ..............................50 3.3.4 Điều khiển công suất đường lên và đường cuống .....................51 3.4 Các thông số ảnh hưởng đến kỹ thuật điều khiển công suất...............53 3.4.1 kích thước của bước điều khiển công suất .................................54 3.4.2 Lỗi khi ước lượng SIR...............................................................54 3.4.3 Trễ trên vòng hồi tiếp ................................................................55 3.4.4 Tần số hoạt động ......................................................................56 3.4.5 Lỗi trên kênh hồi tiếp ................................................................57 3.4.6 Trôi công suất ............................................................................57 3.4.7 Ảnh hưởng của fading sâu..........................................................57 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn vi 3.5 Điều khiển công suất trong W-CDMA ..............................................58 3.5.1 Kỹ thuật điều khiển công suất đường lên..................................58 3.5.1.1 Điều khiển công suất vòng mở đường lên ........................58 3.5.1.2 Điều khiển công suất vòng kín đường lên.........................61 3.5.2 Kỹ thuật điều khiển công suất đường xuống.............................69 3.5.2.1 Điều khiển công suất vòng mở đường xuống....................69 3.5.2.2 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống....................70 Kết luận chương 3.......................................................................................74 CHƯƠNG 4 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHÂN TÁN ...............75 4.1 Một số khái niệm sử dụng trong thuật toán.......................................75 4.1.1 Nhiễu đồng kênh....................................................................75 4.1.2 Nhiễu lân cận.........................................................................77 4.1.3 Hiện tượng gần xa .................................................................78 4.1.4 Tải lưu lượng .........................................................................80 4.1.5 Cấp độ phục vụ......................................................................81 4.1.6 Hiệu suất đường trục..............................................................82 4.2 Phương pháp điều khiển công suất theo bước động ..........................83 4.2.1 Khái niệm và độ dự trữ công suất, cửa sổ công suất...............83 4.2.2 Sự hoạt động của mạng..........................................................84 4.2.3 Sự hoạt động của UE .............................................................86 4.2.4 Công thức tính toán ...............................................................89 4.3 Phương pháp điều khiển công suất phân tán ....................................92 4.3.1 Tổng quan...............................................................................92 4.3.2 Mô hình hệ thống...................................................................94 4.3.3 Thuật toán..............................................................................95 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn vii Kết luận chương 4.......................................................................................97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................98 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................100 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT .....................................101 LỜI CẢM ƠN .........................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................103 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng việt 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 4G Four Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 A AC Amission Control Điều khiển cho phép AICH Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt ATM Asynchoronous Transfer Mode Truyền dẫn không đồng bộ AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực B BCCH Broadcast Control Chanel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc C CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền ghép mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CLPC Close Loop Power Control điều khiển công suất vòng kín CM Connection Management Quản lý kết nối CN Core Network Mạng lõi COMC Communication Control Điều khiển thông tin CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung đường lên CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CS Channel Switch Chuyển mạch kênh CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn ix D DC Dedicated Control Điều khiển riêng DCCH Dedicate Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Các kênh truyền tải dành riêng DPC Distributed Power Control Điều khiển công suấ phân tán DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPDCH Delicated Physical Data Channel Kênh vật lý số liệu dành riêng DSCH Dedicated Shared Channel Kênh đường xuống dùng chung DSS Dynamic Step Size Kích thước của DSSPC Dynamic Step Size Power Control Điều khiển công suất theo bước động DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng E EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution Tăng tốc độ truyền dẫn cho GSM EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị F FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FCCH Frequency Correction Chanel Kênh hiệu chỉnh tần số FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy tần FER Frame Error Ratio Tỷ số lỗi khung G GoS Grade of Service Chỉ số cấp độ phục vụ GC General Control Điều khiển chung GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn x GMSC Gateway Mobile Service Switching Center Tổng đài vô tuyến cổng GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu H HDLA History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc HE Home Environment Môi trường nhà HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSPA High Speed Package Access Truy nhập gói tốc độ cao I IMEI International Mobile Equipment Identity Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMT International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu IS 136 Interim Standard 136 tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ IS 95 Interim Standard 95 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế L LC Load Control Điều khiển tải M MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy cập MDC Macro Diversity Bộ kết hợp phân tập vĩ mô ME Mobile Equipment Thiết bị di động MS Moblie Station Trạm di động MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động MM Mobility Management Quản lý di động MOBC Mobile Control Điều khiển di động Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xi N Nt Notification Thông báo NMS Network Management System Hệ thông quản lý mạng O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phân chia theo tần số trực giao OLPC Open Loop Power Control Điều khiển công suất vòng mở P PAWS Power Averaging Window Size Kích thước cửa sổ công suất trung bình PCA Power control Algorithm Thuật toán điều khiển công suất PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh điều khiển chung sơ cấp PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý PDCP Packer Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẽ đường xuống vật lý PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất PN Pseudo Noise Giả ngẫu nhiên PO Power Offset Dịch công suất PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Switch Chuyển mạch gói PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Q QI Quality Indicator Chỉ số chất lượng R RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technology Kỹ thuật truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Controler Bộ điều khiển mạng vô tuyến Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xii RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resources Management Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến RRSI Received Signal Strength Indicator Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được S SCCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều chung thứ cấp SCH Synchronisation Channel Kênh đồng bộ SHCCH Shared Channel Control Channel Kênh điều khiển kênh chia sẽ SHO Soft Hand Over Chuyển giao mềm SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ SM Session Management Quản lý phiên SMS Short Message Servive Dịch vụ nhắn tin ngắn SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ SIR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIM Subscriber Identity Module Modul nhận dạng thuê bao T TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TTI Transmission Time Interva Khoảng thời gian truyền U UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USIM UMTS Subscriber Indentity Module Module nhận dạng thuê bao UTRAN UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xiii Network của UMTS V VHE Virtual Home Environment Môi trường thông tin nhà ảo VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú VLR Radio link control Điều khiển kết nối vô tuyến W W- CDMA Wide band CDMA Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xiv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý FDMA ......................................................................... 2 Hình 1.2 Băng tần hệ thống FDMA .............................................................. 2 Hình 1.3 Nguyên lý TDMA .......................................................................... 4 Hình 1.4 Nguyên lý CDMA .......................................................................... 5 Hình 1.5 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G ..................................................... 6 Hình 1.6 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS .... 8 Hình 2.1 Mô hình khái niệm W-CDMA...................................................... 16 Hình 2.2 Mô hình cấu trúc hệ thông W-CDMA. ......................................... 17 Hình 2.3 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN ................................. 18 Hình 2.4 Chức năng logic của RNC đối với 1 kết nối từ UE đến UTRAN .. 21 Hình 2.5 Cấu trúc quản lý tài nguyên.......................................................... 25 Hình 2.6 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA ................................................. 26 Hình 2.7 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến ....................................... 28 Hình 2.8 Các loại kênh trong UTRAN ........................................................ 29 Hình 2.9 Kênh truyền tải............................................................................. 36 Hình 2.10 Tín hiệu trải phổ ........................................................................... 37 Hình 2.11 Trải phổ chuỗi trực tiếp ............................................................... 38 Hình 2.12 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G....................................... 40 Hình 2.13 Chuyển giao mềm và mềm hơn .................................................... 42 Hình 2.14 Các loại chuyển giao khác nhau trong W-CDMA......................... 42 Hình 3.1 Các hiện tượng trong tuyền sóng .................................................. 45 Hình 3.2 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc ...................................... 48 Hình 3.3 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín ..................................... 52 Hình 3.4 Lược đồ thời gian trễ trong vòng điều khiển công suất ................. 56 Hình 3.5 Điều khiển công suất vòng mở đường lên .................................... 59 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xv Hình 3.6 Điều khiển công suất vòng kín đường lên..................................... 62 Hình 3.7 Điều khiển công suất đường ngoài vòng lên ................................. 63 Hình 3.8 Ảnh hưởng của bước công suất đến chất lượng PC ...................... 66 Hình 3.9 ULPC vòng trong khi chuyển giao mềm....................................... 68 Hình 3.10 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống ............... 70 Hình 3.11 Dịch công suất để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống .... 72 Hình 4.1 Nhiễu đường lên............................................................................. 76 Hình 4.2 Nhiễu đường xuống........................................................................ 76 Hình 4.3 Vấn đề gần xa (điều khiển công suất đường lên) ............................ 79 Hình 4.4 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất đường xuống)........ 79 Hình 4.5 Quá trình thiết lập cuộc gọi ........................................................... 82 Hình 4.6 Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau .................... 84 Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC .... 85 Hình 4.8 Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên89 Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC ................... 96 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xvi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC...................................................... 88 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về trao đổi thông tin của con người càng tăng lên chính vì vậy thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết của nó. Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Thế hệ thứ ba ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng lẫn ứng dụng so với các thế hệ trước đó, nó có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói và là thế hệ đang được triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới. 1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Hệ thống di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần theo tần số, chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng. Với FDMA khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao yêu cầu kết nối nhiều hơn so với các kênh tần số có thể đáp ứng thì một số thuê bao sẽ bị chặn lại không được truy cập. Trong phương pháp đa truy cập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống là B MHZ được chia thành n băng tần con Mỗi băng tần con được ấn định kênh Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 2 riêng có độ rộng băng tần B/n MHZ. Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang. Hình 1.1 Nguyên lý FDMA Hình 1.2 Băng tần hệ thống FDMA Khi một người dùng gởi yêu cầu tới trạm gốc BS (Base Station), BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng cho người dùng đó Đoạn bảo vệ B/n MHz 1 2 3 4 Nhiễu kênh lân cận B MHz Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 3 trong suốt cuộc gọi. Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh được ấn định lại cho người khác. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất có ba đặc điểm sau: Mỗi trạm di động MS (Mobile Station) được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến, Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể, Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS. Hệ thống di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống di động thế hệ hai có nhiều ưa điểm hơn thế hệ một về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. 1.2. Hệ thống thống tin di động thế hệ thứ hai Với sự phát triển nhanh chóng về số lượng thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ hai được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng phương pháp điều chế số. Nó sử dụng hai phương pháp đa truy cập là: Đa truy cập phân chia theo thời gian, Đa truy cập phân chia theo mã. 1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA TDMA là công nghệ dựa trên kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian. Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần số liên lạc, mỗi dải liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Điều này cho phép nhiều Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 4 người sử dụng chung một băng tần mà không gây ra nhiễu vì mỗi thuê được cấp một khe thời gian độc lập khi truy cập. Hình 1.3 Nguyên lý TDMA Đặc điểm của hệ thông đa truy cập TDMA. Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số, Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau. Do mỗi thuê bao được cung cấp một khe thời gian độc lập khi truy cập và mỗi tần số lại được chia thành nhiều khe thời gian (8 khe) điều này làm giảm số máy thu phát ở BTS, giảm nhiễu giao thoa. Công nghệ này cho phép tăng dung lượng kết nối đồng thời tại các trạm BTS đảm bảo tiết kiệm vốn đầu tư cho các nhà cung cấp so với công nghệ FDMA. Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication). 1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 5 gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi tế bào (cell) trong toàn mạng, những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN (Pseudo Noise). Hình 1.4 Nguyên lý CDMA Đặc điểm của hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã là: Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz, Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp, Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu quả hơn FDMA, TDMA. Việc các MS trong cùng tế bào dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành chuyển giao mềm mềm, điều khiển dung lượng tế bào rất linh hoạt. 1.3 Hệ thống thống tin di động thế hệ ba Hệ thống thông tin thế hệ hai chuyển sang hệ thống thông tin thế hệ ba có trải qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5G sử dụng công nghệ TDMA Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 6 trong đó có kết hợp nhiều khe thời gian hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA và có thể sử dụng phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, các mạng đã được đưa vào sử dụng như: dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Services), tăng tốc độ truyền dẫn của GSM EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution) và CDMA2000-1x.. Hình 1.5 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G Ở thế hệ thứ ba các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 7 thống thông tin di động thế hệ ba gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba như tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu 2000 IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) đã được đề xuất, trong đó hệ thống đa truy cập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA (Wideband Code Division Multiplex Access) và CDMA2000 đã được liên minh viễn thông quốc tế ITU (International Mobile Telecommunication Union) chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thế kỷ XXI. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện chuẩn hóa toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ ba. W-CDMA là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA theo tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ IS-136 (Interim Standard 136). CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA theo tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ IS-95 (Interim Standard 95). · Kiến trúc chung về hệ thống thông tin di động 3G Mạng thông tin di động thế hệ ba lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói PS (Packet Switch) và chuyển mạch kênh CS (Channel Switch) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ truyền dẫn không đồng bộ ATM (Asynchoronous Transfer Mode). Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.5 dưới đây Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 8 cho thấy ví dụ về một kiến trúc tổng quát của thông tin di động 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. Hình 1.6 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS RAN – Radio Access Network - mạng truy nhập vô tuyến, BSC – Base Station Controller - bộ điều khiển trạm gốc, RNC – Rado Network Controller - bộ điều khiển trạm gốc, SMS – Short Message Servive - dịch vụ nhắn tin ngắn, Server – máy chủ, PSTN – Public Switched Telephone Network - mạng điện thoại chuyển mạch công cộng, PLMN - Public Land Mobile Network - mang di động công cộng mặt đất. Hệ thống thông tin di động toàn cầu UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) thế hệ ba có thể sử dụng hai kiểu mạng truy Điều khiển dịch vụ tiên tiến Thông tin vị trí Mạng báo hiệu Thiết bị cổng Thiết bị SMS PSTN/PLM Chức năng dịch vụ CS Chức năng dịch vụ PS Chức năng dịch vụ CS Chức năng dịch vụ PS internet intranet Server BTS BSC/R NC Thiết bị chuyển mạch nội hạt Thiết bị chuyển mạch công cộng Nút kết hợp dịch vụ CS và PS Đầu cuối số liệu Đầu cuối tiếng Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 9 nhập vô tuyến. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ WCDMA được gọi là mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM GERAN (GSM EDGE Radio Access Network). Trong phạm vi đề tài này ta chỉ đề cập đến công nghệ duy nhất trong UMTS được gọi là mạng đa truy cập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA. · Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Thông tin di động thế hệ thứ ba xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ hai. Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau: Vùng 1: trong nhà, tế bào pico, Rb ≤ 2 Mbit/s, Vùng 2: thành phố, tế bào macrô, R b ≤ 384 kbit/s, Vùng 3: ngoại tế bào, tế bào macrô, Rb ≤ 144 kbit/s, Vùng 4: toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s. · Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba như ử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau: Ø Đường lên: 1885-2025 MHz, Ø Đường xuống: 2110-2200 MHz. Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: Ø Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, Ø Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 10 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như: Ø Môi trường thông tin nhà ảo VHE (Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu, Ø Đảm bảo chuyển mạng quốc tế, Ø Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Hệ thống thông tin di động phát triển từ thế hệ ba sang thế hệ bốn có qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Công nghệ truyền thông không dây thứ tư 4G (The four Generation), cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gb/giây. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/giây khi di chuyển và tới 1 Gb/giây khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng nội bộ không dây WLAN (Wireless Local Area Network) và các ứng dụng khác. Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 11 mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu. Kết luận chương 1 Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, đồng thời đã sơ lược những yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy cập phân chia theo tần số. Tiếp theo là thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian và phân chia theo mã. Hiện nay thế hệ thứ ba đã đưa vào hoạt động. Thế hệ thứ tư cũng bắt đầu được nghiên cứu. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo thế hệ thứ 2 các thông số này càng được cải thiện. Tuy chưa xác định chính xác khả năng di động và tốc độ bit cực đại nhưng dự đoán có thể đạt tốc độ 100 km/h và tốc độ bit từ 1÷10 Mbit/s. Ngày nay với số lượng người sử dụng điện thoại di động rất lớn và các dịch vụ mà người dùng yêu cầu ngày càng tăng, hệ thống di động thế hệ 3 ra đời đã đáp ứng kịp thời các yêu cầu trên. So với hệ thống thông tin thế hệ 1 và 2 ta thấy những ưu điểm vượt trội của hệ thống thông tin di động thế hệ 3 nói chung và mạng W-CDMA nói riêng. Nội dung chương đã đưa ra các thông số chính và những đặc điểm then chốt của mạng W-CDMA. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 12 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 W-CDMA Hệ thống 3G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 3G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ phân tích cấu trúc phần cứng của hệ thống di động 3G các phần tử mạng truy cập vô tuyến, mạng lõi, chức năng của các phần tử, các giao diện mạng, mô hình giao thức phân lớp của hệ thống W-CDMA cơ sở cấu trúc hệ thống cho W-CDMA. UMTS được xây dựng trên cơ sở GSM nên có xu hướng tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng GSM thế hệ hai. Ngoài chương này còn giới thiệu về các loại kênh trong UTRAN, qua đó đề cập đến phương thức sắp xếp các kênh lôgic lên các kênh truyền tải và các kênh truyền tải lên các kênh vật lý, cách đáp ứng các yêu cầu trên trong quá trình sắp xếp, trình bày về kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA, các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất. 2.1. Giới thiệu về W-CDMA W-CDMA là công nghệ 3G hoạt động dựa trên kỹ thuật CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình. W-CDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 13 W-CDMA là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. 2.2 Đặc điểm W-CDMA có các đặc điểm cơ bản sau: Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit lên cao (lên đến 2 Mbps), Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập, Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến là ghép song công phân chia theo tần số FDD (Fequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex). Trong mô hình FDD sóng mang 5 MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 MHz chia xẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống, W-CDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ, W-CDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đa người sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ, W-CDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng, Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang, Hệ số tái sử dụng tần số bằng một, Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 14 Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cho phép phát liên tục trong băng TDD cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2 Mbps. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác. 2.3 Cấu trúc mạng W-CDMA. 2.3.1 Mô hình khái niệm. Mạng 3G bao gồm 2 khối chức năng chính là khối chức năng chuyển mạch gói PS và khối chức năng chuyển mạch kênh CS. Các giao diện vô tuyến là phương tiện để các khối chức năng giao tiếp với nhau. Mô hình mạng 3G được chia thành 2 tầng: tầng truy cập và tầng không truy cập. Tầng truy cập bao gồm các thủ tục xử lý giao tiếp giữa thiết bị ngưới sử dụng UE (User Equipment) với mạng truy cập. Tầng không truy cập chứa các thủ tục xử lý giao tiếp giữa UE với mạng lõi (khối chức năng PS/CS) tương ứng. Mạng thường trú chứa các thông tin đăng ký và thông tin bảo mật. Mạng phục vụ là một phần mạng lõi thực hiện kết nối thông tin giữa mạng phục vụ với các mạng bên ngoài. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 15 Hình 2.1 Mô hình khái niệm W-CDMA. 2.3.2 Mô hình cấu trúc. Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần: mạng lõi CN (Core Network) và UTRAN. Trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng UE thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. USIM Thiết bị di động Mạng truy cập Mạng phục vụ Mạng truyền dẫn Cu Iu Uu Yu Mạng thường trú Miền CS Miền PS Tầng truy nhập Tầng không truy nhập UTRAN Miền mạng lõi Miền thiết bị người sử dụng Miền cấu trúc mạng Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 16 Hình 2.2 Mô hình cấu trúc hệ thông W-CDMA. — Thiết bị người sử dụng Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần: thiết bị di động ME (Mobile Equipment), Module nhận dạng thuê bao UMTS USIM (UMTS Subscriber Indentity Module). Thiết bị di động là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. Module nhận dạng thuê bao USIM là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký. Nút B RNC Nút B Nút B RNC Nút B MSC/VLR GMSC EIR HLR/AuC SGSN GGSN C Mạng CS Mạng PS Gn Gc Gf Gr E HE D F Iu-CS Iu-PS Iu Iub Iur PSTN ISDN Internet Gi Gi TE USIM ME UE R Cu Uu UTRAN CN RNS RNS Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 17 — Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS. Cấu trúc mạng vô tuyến UTRAN được khái quát qua hình 2.3 Hình 2.3 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Nhiệm vụ chính của UTRAN là tạo và duy trỳ các kênh mạng truy cập vô tuyến để thực hiện truyền thông tin giữa thiết bị di động với mạng lõi. UTRAN nằm giữa hai giao diện mở Uu và Iu. Nhiệm vụ của UTRAN là phối hợp với mạng lõi thực hiện các dịch vụ mạng qua các giao diện này. UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem). Mỗi RNS bao gồm một số trạm gốc và một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controler). RNC kết nối với nút B bằng giao diện Iub. Các RNS giao tiếp với nhau qua sử dụng giao diện mở Iur mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 18 Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc, chức năng và giao thức của UTRAN, UTRAN có bốn đặc tính sau: Hỗ trợ các chức năng truy cập vô tuyến đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA, Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi, Đảm bảo tính chung nhất với GSM, Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN. · Trạm gốc. Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B, có nhiệm vụ thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nút B nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa, nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối. · Khối điều khiển mạng vô tuyến. RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN qua giao diện vô tuyến Iub và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Control), giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN, nó đóng vai trò như BSC. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 19 Các chức năng chính của RNC: điều khiển tài nguyên vô tuyến, cấp phát kênh, thiết lập điều khiển công suất, điều khiển chuyển giao, mật mã hóa, báo hiệu quảng bá, điều khiển công suất vòng mở. Vai trò logic của RNC: RNC điều khiển nút B (kết cuối giao diện Iub về phía nút B) chịu trách nhiệm điều khiển tải và tắc nghẽn cho các tế bào của mình. Khi một kết nối UE – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt là RNC phục vụ và RNC trôi. Hình 2.4 Chức năng logic của RNC đối với 1 kết nối từ UE đến UTRAN RNC phục vụ SRNC (Serving RNC): thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ. RNC trôi DRNC (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác SRNC để điều khiển các tế bào được UE sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô. Một UE có thể không có hoặc có một hay Nút B Nút B SRNC RNS Nút B Nút B DRNC RNS MSC/VLR SGSN Iu Iu-CS Iu-PS Iub Iu Nút B SRNC Nút B Nút B Nút B DRNC RNS RNS Iub Iu UE UE Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 20 nhiều DRNC. Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 2.4. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur. — Mạng lõi. Mạng lõi được chia thành ba phần: mạng chuyển mạch gói PS, mạng chuyển mạch kênh CS và môi trường nhà ảo HE (Home Environment). Mạng PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác, mạng CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối chia kênh theo khe thời gian TDM (Time Division Multiplexing). Mạng CS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. Bao gồm trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động/thanh ghi định vị tạm trú MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register), trung tâm chuyển mạch di động cổng GMSC (Gateway Mobile Switching Center). MSC/VLR có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình, các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ. GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 21 nối đến mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS. Mạng PS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói bao gồm nút hỗ trợ GPRS dịch vụ SGSN (Serving GPRS Support Node), nút hỗ trợ cổng GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node). SGSN là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông qua giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao. GGSN là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí. Môi trường nhà ảo HE lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác, bao gồm thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register), thanh ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register), trung tâm nhận thưc AuC (Authentication Center). Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI (International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các thuê bao không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 22 Trung tâm nhận thực AUC lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực. Thanh ghi định vị thường trú HLR lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm: thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng. — Các giao diện vô tuyến Giao diện CU: là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh. Giao diện UU: là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS. Giao diện IU: giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau. Giao diện IUr: cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau và đảm bảo bốn chức năng sau: Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC, Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng, Hỗ trợ kênh lưu lượng chung, Hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến toàn cầu. Giao diện IUb: giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn và đảm bảo năm chức năng sau: Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 23 Thiết lập bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng, Khởi tạo và báo cáo các đặc thù của tế bào, Xử lý các kênh riêng và kênh chung, Xử lý kết hợp chuyển giao, Quản lý sự cố kết nối vô tuyến. 2.4 Cấu trúc quản lý tài nguyên Cấu trúc quản lý tài nguyên của hệ thống W-CDMA được khái quát qua hình 2.5. Hình 2.5 Cấu trúc quản lý tài nguyên Quản lý kết nối CM (Connection Management): bao gồm các thủ tục, các chức năng liên quan đến việc quản lý kết nối của người sử dụng. CM được chia thành các phần nhỏ như phần xử lý cuộc gọi chuyển mạch kênh, CM UE MM RRM UTRAN CM MM NMS RRM CN MM Điều khiển thông tin Điều khiển di động Điều khiển di động Điều khiển tài nguyên vô tuyến Giao diện mở Uu Giao diện mở Iu Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 24 phần quản lý các kết nối chuyển mạch gói, phần xử lý các dịch vụ hỗ trợ, dịch vụ nhắn tin. Quản lý di động MM (Mobility management): gồm tất cả các chức năng, các thủ tục quản lý di động và bảo mật các thủ tục bảo mật kết nối, các thủ tục cập nhật vị trí. Quản lý tài nguyên vô tuyến RRM (Radio Resource Management): bao gồm các thủ tục thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất, chuyển giao và điều khiển tải hệ thống. Các chức năng điều khiển được kết hợp với các nhóm điều khiển dịch vụ sau: Điều khiển thông tin COMC (Communication Control): duy trì các cơ chế như điều khiển cuộc gọi, điều khiển phiên trong chuyển mạch gói. Điều khiển di động MOBC (Mobile Control): duy trì điều khiển cập nhật vị trí bảo mật. Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Control): thực hiện chức năng quản lý thiết lập kết nối vô tuyến và duy trì kết nối giữa UE và UTRAN. 2.5 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA. Cấu trúc phân lớp của W-CDMA được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn của UMTS. Được khái quát qua hình 2.6. Các giao thức giữa các phần tử trong mạng W-CDMA được chia thành hai phần chính: tầng không truy nhập và tầng truy nhập. Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức: Lớp vật lý (L1): đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều chế và mã hóa, trải phổ. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 25 Lớp kết nối số liệu (L2): lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp. Lớp mạng vô tuyến (L3): đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến. Hình 2.6 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA GC – General Control – điều khiển chung, Nt – Notification – thông báo, DC – Dedicated Control – điều khiển riêng. Các thủ tục giao diện vô tuyến thực hiện chức năng thiết lập, duy trỳ và giải phóng kết nối vô tuyến trong mạng UTRAN. Các thủ tục giao diện vô tuyến được thể hiện trong hình 2.7. Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh vật lý được sử dụng để truyền thông tin của các lớp GT NT DC UE UE GT NT DC Mạng lõi Mạng lõi UTRAN Tầng không truy cập Tầng truy cập Radio(Uu) Iu Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 26 cao trên giao diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý. L2 được chia thành 2 lớp con: lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) và điều khiển kết nối vô tuyến VLR (Radio link control), giao thức hội tụ số liệu gói PDCP (Packer Data Convergence Protocol) và điều khiển quảng bá/Đa phương BMC (Broadcast/Multicast Control). Hình 2.7 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC PHY PDC PDC BM RRC MAC L3 L2/PDCH L2/BMC L2/RLC Các kênh logic L2/MAC Các kênh truyền tải Thông tin UP Báo hiệu CP CC,MM,GMM,SM,SS Các giao thức UP Các lớp con cao hơn của L3/NAS Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 27 L3 và RRC được chia thành hai phần: phần điều khiển (C-Plane) và phần người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U. Trong mặt phẳng C lớp 3 bao gồm RRC kết cuối tại mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network) và các lớp con cao hơn: MM, CC, quản lý di động GPRS GMM (GPRS Mobility Management), quản lý phiên SM (Session Management) kết cuối tại mạng lõi. Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. 2.6 Các loại kênh trong UTRAN Hình 2.8 Các lo ại kênh trong UTRAN Logical channels Transport channels Physical channels UE BS RN C Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 28 Trong hệ thống W-CDMA, để xử lý linh hoạt các dịch vụ khác nhau và các khả năng gọi hội nghị, giao diện vô tuyến được xây dựng dựa vào ba lớp kênh cơ bản: các kênh logic, các kênh truyền tải và các kênh vật lý (hình 2.8). Kênh logic là các kênh được cung cấp từ lớp con MAC đến lớp con RNC, nó được phân loại theo chức năng của tín hiệu truyền dẫn và các đặc tính logic của chúng và được gọi tên theo nội dung mà nó truyền. Kênh truyền tải là các kênh được cung cấp từ lớp con vật lý đến lớp con MAC, nó được phân loại theo khuôn dạng truyền và được định rõ đặc tính theo cách truyền và loại thông tin được truyền qua giao diện vô tuyến. Các kênh vật lý được phân loại theo chức năng của lớp vật lý và được nhận bởi mã trải phổ, sóng mang và dạng điều chế đường lên (pha I, pha Q). 2.6.1 Các kênh logic Người ta định nghĩa một bộ các kênh logic khác nhau sử dụng cho các dịch vụ truyền số liệu khác nhau ở lớp con MAC. Kênh logic có thể chia thành hai nhóm: nhóm kênh điều khiển và nhóm kênh lưu lượng. Nhóm kênh điều khiển bao gồm: · Kênh điều khiển quảng bá BCCH (Broadcast Control Channel): đây là kênh đường xuống cho tất cả các thông tin hệ thống chung mà một UE cần giao tiếp với mạng. · Kênh điều khiển tìm gọi PCCH (Paging Control Channel): đây là kênh đường xuống mang thông các thông tin ngắn từ mạng để thông tin với người dùng về một yêu cầu cần truyền thông. Nó được sử dụng khi mạng không biết vị trí của UE, UE đang ở trạng thái kết nối trong tế bào. · Kênh điều khiển dành riêng DCCH (Dedicated Control Channel): đây là một kênh hai chiều cả đường lên và đường xuống, kênh nối từ điểm đến Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 29 điểm, truyền thông tin điều khiển được dành cho mạng và một UE. Kênh này được thiết lập thông qua thủ tục kết nối RRC. · Kênh điều khiển chung CCCH (Common Control Channel): đây là kênh hai chiều, mang thông tin điều kiển từ mạng tới các UE do chưa có bất kỳ một kênh dành riêng nào. Kênh này được thiết lập bởi các UE không có kết nối RRC với mạng, các UE sử dụng chung các kênh truyền tải khi truy nhập một tế bào mới sau khi chọn lọc lại tế bào. · Kênh điều khiển kênh chia sẽ SHCCH (Shared Channel Control Channel): đây là một kênh hai chiều bao gồm cả đường lên và đường xuống, kênh nối từ điểm tới điểm mang thông tin điều khiển để phân chia kênh đường lên, đường xuống giữa mạng và UE. Kênh này sử dụng cho TDD. Nhóm kênh lưu lượng bao gồm: · Kênh lưu lượng dành riêng DTCH (Dedicated Traffic Channel): đây là kênh hai chiều, mang thông tin điều khiển giữa các UE do chưa có bất kỳ một kênh dành riêng nào. · Kênh lưu lượng chung CTCH (Common Traffic Channel): đây là một kênh đường xuống dùng để mang thông tin người dùng cho tất cả hoặc một nhóm UE xác định. 2.6.2 Các kênh vật lý Các kênh vật lý trong FDD có dạng cấu trúc lớp như các khung vô tuyến và các khe thời gian. Kênh vật lý bao gồm kênh vật lý đường lên và kênh vật lý đường xuống. · Kênh vật lý đường lên Có hai kiểu vật lý dành riêng cho đường lên: kênh vật lý dành riêng DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) và kênh điều khiển vật lý dành riêng DPCCH (Dedicated Physical Control Channel). Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 30 DPDCH: truyền kênh truyền dẫn DCH DPCCH: truyền thông tin kiểu lớp 1 như: các bit hoa tiêu đễ hỗ trợ đánh giá việc xác định kênh trong quá trình phát hiện tương quan, các lệnh điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power command), thông tin phản hồi và một bộ chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TFCI (Transport Format Combination Indicator). Có một và chỉ một kênh DPCCH đường lên trên một kết nối vô tuyến. Tuy nhiên có thể không có hay có một vài kênh DPDCH đường lên trên mỗi liên kết vô tuyến. Kênh vật lý dung chung đường lên gồm kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PRACH (Physical Random Access Channel) mang thông tin của kênh giao vận RACH. Kênh gói chung vật lý PCPCH (Physical Common Packet Channel) mang thông tin của kênh giao vận CPCH. Kênh vật lý đường lên Kênh UPCH riêng Kênh UPCH chung (up link DPCH) (uplink CPCH) Kênh số liệu Kênh điều khiển Kênh truy nhập Kênh gói Vật lý dành vật lý dành ngẫu nhiên vật chung vật riêng (DPDCH) riêng (DPCCH) lý (PRACH) lý (PCPCH) · Kênh vật lý đường xuống: bao gồm một kênh vật lý dành riêng, một kênh phân chia và năm kênh điều khiển chung. Kênh vật lý dành riêng đường xuống: chỉ có một kênh vật lý duy nhất (downlink DPCH) phát số liệu dành riêng được tạo ra từ lớp 2 và lớp cao hơn Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 31 trong bộ ghép trung gian với thông tin điều khiển tạo ra lớp 1 (là các bit hoa tiêu, các lệnh TCP). Kênh vật lý đường xuống: Kênh vật lý đường xuống(DPCH) Kênh DPCH riêng Kênh DPCH chung (Downlink DPCH) (Downlink DPCH) Kênh hoa kênh vật kênh Kênh kênh vật Kênh Kênh chỉ tiêu chung lý điều vật lý đồng lý đường chỉ thị tìm (CPICH) khiển điều bộ xuống thị gọi chung sơ khiển (SCH) dùng bắt (PICH) cấp chung chung (AICH) (P-CCPCH) thứ cấp (PDSCH) (S-CCPCH) Kênh hoa tiêu chung CPICH (Common Pilot Channel): là kênh vật lý tốc độ cố định (30kb/s, SF= 256) thực hiện truyền mỗi bit xác định trước. Kênh điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channe): là kênh vật lý tốc độ cố định (30kb/s, SF = 256) truyền BCH, nó khác với DPCH đường xuống ở chỗ nó không truyền các lệnh TPC hoặc các bit hoa tiêu. Kênh vật lý điều chung thứ cấp S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel): có hai hiểu kênh CCPCH, một là có chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TFCI và một không có TFCI. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 32 Kênh đồng bộ SCH (Synchronisation Channel): là một tín hiệu đường xuống sử dụng trong quá trình dò tìm khe. Kênh chia sẽ đường xuống vật lý PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): kênh chung đường xuống, mỗi tế bào có nhiều PDSCH (hoặc không có) được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH. Kênh chỉ thị bắt AICH (Acquisition Indicator Channel): là một kênh vật lý mang chỉ thị bắt. Các BTS dung kênh này để truyền các tín hiệu đồng bộ. 2.6.3 Các kênh truyền tải. Các kênh truyền tải có nhiệm vụ truyền thông tin giữa phân lớp MAC với lớp vật lý. Các kênh truyền tải được phân loại chung thành hai nhóm: các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm người sử dụng trong tế bào, còn tài nguyên kênh riêng được ấn định bởi một mã và một tần số nhất định để dành riêng cho một người sử dụng duy nhất. 2.6.3.1 Kênh truyền tải riêng Kênh truyền tải dành riêng mang thông tin từ các lớp vật lý riêng cho một UE, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao. Các kênh truyền tải dành riêng DCH (Dedicated Channel) là một kênh thực hiện việc truyền thông tin điều khiển và thông tin thuê bao giữa UTRAN và UE. DCH được truyền trên toàn bộ tế bào hoặc chỉ truyền trên một phần tế bào đang sử dụng. Thông thường chỉ có một kênh truyền dẫn dành riêng sử dụng cho đường lên hoặc đường xuống ở chế độ TDD hoặc FDD. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 33 2.6.3.2 Kênh truyền tải chung Kênh quảng bá BCH là một kênh truyền tải được sử dụng để phát thông tin đặc thù UTRAN. Vì UE chỉ có thể đăng ký đến tế bào này nếu nó có thể giải mã kênh quảng bá, nên cần phát kênh này ở công suất khá cao để mạng có thể đáp ứng cho tất cả mọi người sử dụng trong vùng phủ yêu cầu. Kênh truy nhập đường xuống FACH (Forward Access Channel) là một kênh truyền tải đường xuống thường được truyền trên toàn bộ tế bào, được dùng để tryền thông tin điều khiển tới UE khi hệ thống không biết vị trí các tế bào của UE. Nó mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi, chẳng hạn khi mạng muốn khởi đầu thông tin với UE. UE phải có khả năng thu được thông tin tìm gọi trong toàn bộ vùng phủ của tế bào. Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel) là kênh truyền tải đường lên, thực hiện truyền thông tin điều khiển từ các UE. Nó được sử dụng để mang thông tin điều khiển từ UE như yêu cầu thiết lập một kết nối. Hình 2.9 Kênh truyền tải Kênh gói chung đường lên CPCH (Common Packet Channel) là một mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát theo BS UE BCCH RACH/CPCH Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 34 gói trên đường lên. FACH ở đường xuống cùng với kênh này tạo nên cặp kênh để truyền số liệu. Kênh đường xuống dùng chung DSCH (Dedicated Shared Channel) là kênh truyền tải để mang thông tin của người sử dụng và/hoặc thông tin điều khiển. Nhiều người sử dụng có thể dùng chung kênh này. Xét về nhiều mặt nó giống như kênh truy cập đường xuống, nhưng kênh dùng chung hỗ trợ sử dụng điều khiển công suất nhanh cũng như tốc độ bit thay đổi theo khung. Ở FDD, nó được kết nối với một hoặc vài kênh DCH đường xuống. Nó có thể được truyền trên toàn bộ tế bào hoặc chỉ trên một phần tế bào đang sử dụng, ví dụ như ăngten dạng búp. 2.7 Trải phổ trong W-CDMA. Trong W-CDMA với băng tần 5MHZ thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ chuổi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84Mcps. Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ càng tốt. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ SS (Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 35 Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ nếu: Tín hiệu được phát đi chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin. Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu Hình 2.10 Tín hiệu trải phổ · Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau: Trải phổ dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spreading Spectrum), Trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spreading Spectrum), Trải phổ nhảy thời gian THSS (Time Hopping Spreading Spectrum). Hệ thống thông tin di động công nghệ W-CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS. · Nguyên lý trải phổ DSSS được thể hiện qua hình 2.11. Trải phổ dãy trực tiếp thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn Tín hiệu băng rộng đã được trải phổ Tín hiệu băng hẹp chưa trải phổ Tần số R Mật độ công suất WHZ Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 36 với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau: RC = 1/TC, Rb = 1/Tb. Hình 2.11 Trải phổ chuỗi trực tiếp Trong đó: RC: tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên, Rb: tốc độ bit, Tb: thời gian một bit của luồng số cần phát, Tn: thu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ, TC: thời gian một chip của mã trải phổ. 2.8 Chuyển giao 2.8.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động Chuyển giao là một khái niệm cơ bản về sự di chuyển của MS trong cấu trúc thông tin tế bào. Có nhiều loại chuyển giao khác nhau để phù hợp với Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 37 các yêu cầu khác như: điều khiển tải, cung cấp vùng phủ sóng và thoả mãn chất lượng dịch vụ . Mục tiêu của chuyển giao là cung cấp sự liên tục của dịch vụ di động khi người sử dụng di chuyển qua vùng biên của các tế bào trong kiến trúc mạng tế bào. Để người sử dụng có thể tiếp tục thông tin và băng qua biên của tế bào thì cần cung cấp tài nguyên vô tuyến mới cho người sử dụng ở tế bào mới, hay còn gọi là tế bào đích. Bởi vì cường độ tín hiệu thu được xấu hơn tế bào đích mà người sử dụng chuyển qua. Quá trình xử lý đường xuống còn tồn tại kết nối trong tế bào hiện tại và thiết lập kết nối mới trong tế bào lân cận gọi là chuyển giao. Tính năng của mạng tế bào thể hiện qua chuyển giao là chủ yếu nhằm cung cấp dịch vụ hấp dẫn như các ứng dụng thời gian thực hay luồng đa phương tiện như các dự án trong mạng di động thế hệ ba đưa ra. Số lượng chuyển giao không thành công thể hiện thủ tục chuyển giao không hoàn thành. 2.8.2 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G W-CDMA Chuyển giao trong mạng W-CDMA có thể được phân loại theo nhiều loại khác nhau. Có thể phân thành: chuyển giao cùng tần số, chuyển giao khác tần số và chuyển giao giữa các mạng khác nhau W-CDMA với GSM. Trong phần này, ta lại chia chuyển giao trong W-CDMA thành bốn loại: chuyển giao trong cùng hệ thống, chuyển giao ngoài hệ thống, chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và mềm hơn. Chuyển giao trong cùng hệ thống có thể được chia thành chuyển giao cùng tần số và chuyển giao khác tần số. Chuyển giao cùng tần số xuất hiện giữa các tế bào cùng sóng mang W-CDMA. Chuyển giao khác tần số xuất hiện giữa các tế bào hoạt động trên các tần số sóng mang khác nhau. Chuyển giao ngoài hệ thống xuất hiện giữa các tế bào thuộc hai kỹ Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 38 thuật truy nhập vô tuyến RAT (Radio Access Technology) khác nhau hoặc giữa hai nút UTRAN FDD và UTRAN TDD. Hình 2.12 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G Chuyển giao cứng là loại chuyển giao mà kết nối cũ bị phá vỡ trước khi có kết nối vô tuyến mới được thiết lập giữa thiết bị người sử dụng và mạng truy nhập vô tuyến. Loại chuyển giao này sử dụng trong mạng GSM để gán các kênh tần số khác nhau cho các tế bào. Người sử dụng đi vào tế bào mới sẽ huỷ bỏ kết nối cũ và thiết lập kết nối mới với tần số mới. Chuyển giao cứng trong mạng UMTS sử dụng để thay đổi kênh tần số của UE và UTRAN. Trong suốt quá trình bố trí tần số của UTRAN, nó sẽ xác định rằng mỗi hoạt động UTRAN là dễ dàng để yêu cầu thêm vào phổ tần để đạt được dung lượng khi các cấp độ sử dụng hiện tại đã hết. Trong trường hợp này vài băng tần xấp xỉ 5 MHz được sử dụng bởi một thuê bao và cần chuyển giao giữa chúng. Chuyển giao cứng còn áp dụng để thay đổi tế bào trên cùng tần số khi mạng không hỗ trợ tính đa dạng lớn. Trong trường hợp khác là khi kênh truyền đã được xác định trong khi người sử dụng đi vào tế bào mới thì chuyển Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 39 giao cứng sẽ thực hiện nếu chuyển giao mềm và mềm hơn không thực hiện được. Thông thường chuyển giao cứng chỉ dùng cho vùng phủ và tải, còn chuyển giao mềm và mềm hơn là yếu tố chính hỗ trợ di động. Chuyển giao giữa hai mode UTRAN FDD và UTRAN TDD cũng thuộc loại chuyển giao cứng. Chuyển giao mềm là chuyển giao giữa hai BS khác nhau, còn chuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa ít nhất 2 sector của cùng một BS. Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, MS giao tiếp một cách tức thì với hai (chuyển giao hai đường) hoặc nhiều tế bào của các BS khác nhau thuộc cùng RNC (Intra-RNC) hoặc các RNC khác nhau (Inter-RNC). Trên đường xuống máy di động nhận hai tín hiệu với tỉ số kết hợp lớn nhất; ở đường xuống, máy di động mã hoá kênh được tách bởi cùng hai BS (chuyển giao hai đường), và được gởi đến RNC cho việc lựa chọn kết hợp. Hai hoạt động điều khiển công suất vòng trong đặc biệt trong chuyển giao mềm cho một BS. Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm hơn Hình 2.13 Chuyển giao mềm và mềm hơn Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, MS được điều khiển ít nhất bởi hai sector của cùng BS, do đó chỉ có một hoạt động điều khiển công suất vòng. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 40 Chuyển giao mềm và mềm hơn chỉ sử dụng một sóng mang, do đó đây là chuyển giao trong cùng hệ thống. Hình 2.14 thể hiện hai loại chuyển giao khác nhau. Hình 2.14 Các loại chuyển giao khác nhau trong W-CDMA Chuyển giao hai đường là chuyển giao mà ở đó MS thông tin với hai đoạn của hai tế bào khác nhau. Chuyển giao ba đường là chuyển giao mà ở đó MS thông tin với ba đoạn của ba tế bào khác nhau. BS điều khiển trực tiếp quá trình xử lý cuộc gọi trong quá trình chuyển giao mềm được gọi là BS sơ cấp.BS sơ cấp có thể khởi đầu bản tin điều khiển đường xuống, các BS khác không xử lý cuộc gọi gọi là BS thứ cấp. Chuyển giao mềm kết thúc khi hoặc BS sơ cấp hoặc BS thứ cấp bị loại bỏ. Kết luận chương 2 Trong chương này ta đã giới thiệu một cách tổng quan nhất về hệ thống thông tin di dộng W-CDMA và đã đi vào phân tích cấu trúc mạng W-CDMA bao gồm các phần tử mạng truy nhập vô tuyến, mạng lõi, chức năng của các Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 41 phần tử, các giao diện mạng, mô hình giao thức phân lớp của hệ thống UMTS là cơ sở cấu trúc hệ thống cho W-CDMA. Từ việc tìm hiểu, phân tích cấu trúc mạng ta cũng quan tâm đến vấn đề sắp xếp các kênh trong UTRAN và các phương thức trải phổ trong mạng. Lớp vật lý có ảnh hưởng lớn đến sự phức tạp của thiết bị về việc đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc nút B và trạm đầu cuối UE. Trên quan điểm dịch vụ các hệ thống thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì thế không thể thiết kế lớp vật lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo cho nhiều loại dịch vụ và các dịch vụ tương lai. Cuối cùng chính là những kiến thức cơ sở để tìm hiểu và nghiên cứu các thuật toán, các kỹ thuật chuyển giao trong W-CDMA ở các chương tiếp theo. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 42 CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG W-CDMA Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA, mỗi thuê bao khi tham gia vào hệ thống sẽ được cấp một mã để hoạt động trên một kênh tần số. Điều này sẽ làm dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể, nhưng bên cạnh đó, khi có nhiều thuê bao hoạt động trên một kênh tần số sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Ngoài ra, nhiễu còn có thể phát sinh do môi trường hay từ chính các thiết bị trong hệ thống W-CDMA. Nhằm duy trì chỉ số cấp độ phục vụ QoS của hệ thống ở mức tiêu chuẩn, thì hạn chế nhiễu bằng việc điều khiển công suất trên đường lên và đường xuống là việc làm cần thiết. Trong chương này chúng ta tìm hiểu một số thông số ảnh hưởng đến việc điều khiển công suất cũng như ý nghĩa của nó. Sau đó ta sẽ đi sâu vào phân tích một số kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA. 3.1 Kênh truyền vô tuyến Trong thông tin di động, do môi trường truyền dẫn đặc thù là vô tuyến nên các yếu tố kênh truyền có những tác động rất lớn đến các hoạt động của hệ thống. Các nhân tố ảnh hưởng có thể liệt kê như suy hao, nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ. Hình 3.1 mô tả cơ chế fading đa đường khi tín hiệu từ UE đến nút B. Trong hầu hết các trường hợp, tầm nhìn thẳng giũa UE và nút B bị che khuất do sự che chắn dày đặc trong môi trường truyền. Cơ chế lan truyền đa đường thường dẫn tới chất lượng tín không đạt yêu cầu. Ví dụ như hình 3.1, có 3 nguyên nhân gây ra hiện tượng đa đường: đầu tiên là hiện tượng phản xạ khi sóng vô tuyến gặp bề mặt nhẵn, kích thước lớn (như tường của các tòa nhà, Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 43 mặt đường), một tia tới có thể bị phản xạ ra nhiều tia khác nhau theo những hướng khác nhau. Thứ hai là hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi có một vật thể lớn che chắn đường truyền thẳng. Hiện tượng thứ ba là hiện tượng tán xạ khi tín hiệu gặp phải những bề mặt lớn, ghồ ghề và bị phân tán ra nhiều hướng. Hình 3.1 Các hiện tượng trong tuyền sóng Do những nguyên nhân vật lý trên, sóng đến đầu thu sẽ có biên độ cũng như pha rất khác nhau và làm tăng giảm tín hiệu một cách không thể xác định do tính di động của thuê bao. Nếu tốc độ của thuê bao càng nhanh, sự thay đổi của môi trường truyền sóng càng phức tạp. Lúc này ngoài hiện tượng đa đường, người sử dụng còn chịu ảnh hưởng của các hiện tượng vật lý quan trọng khác như suy hao, dịch tần số. Để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố trên, ta sẽ phân kênh truyền ra làm hai loại: Kênh truyền chịu ảnh hưởng trên phạm vi rộng, Kênh truyền chịu ảnh hưởng trên phạm vi hẹp. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 44 3.1.1 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi rộng Là khi có duy nhất một tín hiệu truyền thẳng giữa đầu thu và đầu phát. Và sự suy hao này có thể áp dụng công thức tính suy hao tự do trong không gian để tính toán. 41 0 lo g 2 0 lo gtd b r P dL P p l = = (3.1) Trong đó: Pt là công suất phát, Pr là công suất thu, d là khoảng cách truyền sóng, λ bước sóng. Trong trường hợp này suy hao trung bình của kênh truyền phụ thuộc vào tần số của sóng mang và khoảng cách địa lý giữa hai đầu thu phát. Một khía cạnh quan trọng khác là suy hao giữa đường xuống và đường lên trong trường hợp này có một mối tương quan qua lại, có nghĩa là ta có thể dự đoán suy hao đường lên và tính toán suy hao đường xuống. Đây là một tính chất quan trọng được sử dụng trong phương pháp điều khiển công suất vòng mở được trình bày sau này. 3.1.2 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi hẹp Kênh truyền này không những làm thay đổi biên độ của tín hiệu mà còn gây ra hiện tượng phân tán thời gian dẫn tới giao thao giữa các tín hiệu tới đầu thu. Như đã phân tích lúc đầu, tín hiệu nhận được là sự tổng hợp của tất cả các tín hiệu đến từ nhiều đường khác nhau với biên độ và pha khác nhau. 3.2 Ý nghĩa của việc điều khiển công suất Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA, các UE đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh với nhau. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 45 môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào giá trị SIR. Để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR (Signal to Interference) không đổi và đảm bảo ngưỡng yêu cầu ta cần điều khiển công suất. Ở hệ thống W-CDMA việc điều khiển công suất là bắt buộc và phải nhanh chóng nếu không dung lượng hệ thống sẽ bị giảm. Việc điều khiển công suất sẽ giúp cho công suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối với tất cả các thuê bao, dung lượng của hệ thống có thể đạt tới mức cực đại do SNR của tín hiệu thu được vẫn đảm bảo lớn hơn ngưỡng tối thiểu khi có nhiều thuê bao cùng hoạt động. Ngoài ra điều khiển công suất còn tham gia vào quá trình chuyển giao giúp cho thông tin liên lạc được giữ trong suốt quá trình khi thuê bao di chuyển từ trạm gốc này qua trạm gốc khác. Điều khiển công suất nhằm mục đích để chống lại hiệu ứng Fading Rayleigh trên tín hiệu truyền đi bởi việc bù cho Fading nhanh của kênh truyền. Nó còn góp phần làm tăng tuổi thọ pin của máy di động vì giúp cho máy di động luôn hoạt động ở công suất thấp nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu. Để minh hoạ việc điều khiển công suất cần thiết như thế nào trong hệ thống W-CDMA, chúng ta xem xét một tế bào đơn lẻ có hai thuê bao giả định. Thuê bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2, nếu không có điều khiển công suất, cả hai thuê bao sẽ phát một mức công suất cố định P, tuy nhiên do sự khác nhau về khoảng cách nên công suất thu từ thuê bao 1 là P1 sẽ lớn hơn thuê bao 2 là P2. Giả sử rằng vì độ lệch về khoảng cách như vậy mà P1 lớn gấp 10 lần P2 thì thuê bao 2 sẽ chịu một sự bất lợi lớn. Nếu tỷ số SNR yêu cầu là (1/10) thì chúng ta có thể nhận ra sự chênh lệch giữa các SNR của hai thuê bao. Hình 3.2 minh hoạ điều này, nếu chúng ta bỏ qua tạp âm nhiệt thì SNR của thuê bao 1 sẽ là 10 và SNR của thuê bao 2 sẽ là (1/10). Thuê bao 1 có một SNR cao hơn nhiều và như vậy nó sẽ có được Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 46 một chất lượng rất tốt, nhưng SNR của thuê bao 2 chỉ vừa đủ so với yêu cầu. Sự không cân bằng này được xem là bài toán “gần-xa” kinh điển trong một hệ thống đa truy cập trải phổ. Hình 3.2 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc Hệ thống nói trên được coi như đã đạt tới dung lượng của nó. Lý do là nếu chúng ta thử đưa thêm một thuê bao thứ 3 phát cùng mức công suất p vào bất cứ chỗ nào trong tế bào thì SNR của thuê bao thứ 3 đó sẽ không thể đạt được giá trị yêu cầu. Hơn nữa, nếu chúng ta cố đưa thêm thuê bao thứ 3 vào hệ thống thì thuê bao thứ 3 đó sẽ không những không đạt được SNR yêu cầu mà còn làm cho SNR của thuê bao 2 bị giảm xuống dưới mức SNR yêu cầu. Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “gần – xa” và để tăng tối đa dung lượng hệ thống. Điều khiển công suất là điều khiển công suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau. Trong một tế bào, nếu công suất phát của mỗi thuê bao được điều khiển để công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau và bằng P thì nhiều thuê bao hơn có thể sử dụng trong hệ thống. như ví P f Thuê bao 2 có S/N = 1/10 Thuê bao 1 có S/N = 1 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 47 dụ trên, nếu SNR yêu cầu vẫn là (1/10) thì tổng cộng có thể có 11 thuê bao được sử dụng trong tế bào. Dung lượng được tăng tối đa khi sử dụng điều khiển công suất. 3.3 Phân loại điều khiển công suất Có nhiều phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống thông tin tế bào. Khi xét đến một hệ thống điều khiển công suất, cần xem xét những mặt sau: Tiêu chuẩn chất lượng: tiêu chuẩn chất lượng được đánh giá thông qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIR và hệ số lỗi bit (BER – Bit Error Ratio). Cường độ tín hiệu trên nhiễu SIR và hệ số lỗi bit BER bao gồm các thông tin tương đương về chất lượng . Những phép đo: thông thường những phép đo được đưa ra trong báo cáo bao gồm các chỉ số chất lượng QI (Quality Indicator) phản ánh chất lượng và chỉ số cường độ tín hiệu nhận được RRSI (Received Signal Strength Indicator) phản ánh cường độ tín hiệu thu được của máy thu. Những giá trị này được lượng tử hoá thô để sử dụng ít mẫu. Thời gian trễ: tín hiệu đo lường và điều khiển cần thời gian dẫn đến làm xuất hiện thời gian trễ trong mạng. Từ những tiêu chí đó ta có thể phân điều khiển công suất như sau: 3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và tập trung Điều khiển công suất tập trung là điều khiển tất cả các mức công suất trong mạng hay một phần của mạng theo yêu cầu tín hiệu điều khiển phạm vi rộng trong mạng và không thể ứng dụng trong thực tế. Chúng có thể sử dụng để đưa ra giới hạn về hiệu suất của thuật toán phân tán. Bộ điều khiển phân tán chỉ điều khiển công suất của một trạm phát đơn và thuật toán chỉ phụ thuộc vào các tham số nội bộ như SIR hay độ lợi kênh Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 48 của người sử dụng. Những thuật toán này thực hiện tốt trong trường hợp lý tưởng, nhưng trong các hệ thống thực tế có một số hiệu ứng không thích hợp như: tín hiệu đo và điều khiển làm mất thời gian dẫn đến thời gian trễ trong hệ thống, công suất phát hợp lý của máy phát bị hạn chế bởi giới hạn vật lý. 3.3.2 Điều khiển công suất cho đường lên và đường xuống Điều khiển công suất đường lên (từ UE đến RNC) trong hệ thống W- CDMA là một yêu cầu quan trọng để chống lại hiệu ứng gần - xa. Ở đường xuống, trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba, do dữ liệu đường xuống có tốc độ khác nhau tùy thuộc vào từng loại hình dịch vụ nên yêu cầu điều khiển công suất cũng rất cần thiết để đảm bảo chất lượng, tối đa dung lượng thuê bao có thể phục vụ. Hơn nữa trong hệ thống đa tế bào, nhiễu giao thoa từ các tế bào lân cận cũng là một yếu tố làm giảm chất lượng. Như vậy, phải sử dụng điều khiển công suất trong trường hợp này để làm giảm sự giao thoa giữa các tế bào. 3.3.3 Điều khiển công suất theo phương pháp đo Theo phương pháp đo, kỹ thuật điều khiển công suất được phân thành 3 loại dựa trên ba cơ sở là: trên cơ sở cường độ, trên cơ sở SIR, trên cơ sở BER. Trên cơ sở cường độ, cường độ một tín hiệu đến BS từ MS được đánh giá để xác định là nó cao hơn hay thấp hơn cường độ mong muốn. Sau đó BS sẽ gởi lệnh để điều khiển công suất cao hơn hay thấp hơn thích hợp. Trên cơ sở SIR, phương pháp đo là SIR khi mà tín hiệu bao gồm nhiễu kênh và nhiễu giữa các người sử dụng. Một vấn đề quan trọng gắn với điều khiển công suất dựa vào SIR là có khả năng gây hồi tiếp dương làm nguy hiểm đến sự vững vàng của hệ thống. Hồi tiếp dương xuất hiện trong trừơng hợp khi một MS dưới sự chỉ dẫn của BS đã tăng công suất của nó và điều đó Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 49 lặp lại với các MS khác. Trong trường hợp có N-MS trong hệ thống, điều này làm tê liệt cả N-MS. Trong điều khiển công suất dựa vào BER, BER được định nghĩa là một số lượng trung bình của các bit lỗi so với chuỗi bit chuẩn. Nếu công suất tín hiệu và nhiễu là hằng số thì BER là hàm của SIR, và trong trường hợp này thì QoS là tương đương. Tuy nhiên, trong thực tế SIR là hàm thời gian và như vậy SIR trung bình sẽ không tương ứng với BER trung bình. Trong trường hợp này, BER là cơ sở đo đạt chất lượng tốt hơn. 3.3.4 Điều khiển công suất vòng kín, điều khiển công suất vòng mở Trong W-CDMA tồn tại hai phương pháp điều khiển công suất sau: Điều khiển công suất vòng mở, Điều khiển công suất nhanh vòng kín gồm điều khiển công suất vòng trong và điều khiển công suất vòng ngoài. Điều khiển công suất vòng mở thực hiện đánh giá gần đúng công suất đường xuống của tín hiệu kênh hoa tiêu dựa trên tổn hao truyền sóng của tín hiệu này. Nhược điểm của phương pháp này là do điều kiện truyền sóng của đường xuống khác với đường lên nhất là do fading nhanh nên sự đánh giá sẽ thiếu chính xác. Ở hệ thống CDMA trước đây, người ta sử dụng phương pháp này kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống W-CDMA phương pháp điều khiển công suất này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu. Phương pháp điều khiển công suất nhanh vòng kín như hình 3.3. Ở phương pháp này BS (hoặc MS) thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên can nhiễu thu được SIR và so sánh nó với tỷ số SIR đích. Nếu SIR ước tính cao hơn SIR đích thì BS (hoặc MS) thiết lập bit điều khiển công suất để lệnh cho BS (hoặc MS) hạ thấp công suất, trái lại nó ra lệnh BS (hoặc MS) tăng công Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 50 suất. Chu kỳ đo lệnh phản ứng này được thực hiện 1500 lần trong một giây ở cdma2000. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đường truyền và thậm chí có thể nhanh hơn fading nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp. Hình 3.3 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín như trên được gọi là điều khiển công suất vòng trong, nó cũng được sử dụng cho đường xuống, mặc dù ở đây không có hiện tượng gần xa vì tất cả các tín hiệu đến các MS trong cùng một tế bào đều bắt đầu từ một BS. Tuy nhiên lý do điều khiển công suất ở đây như sau: khi MS tiến đến gần biên giới của tế bào, nó bắt đầu chịu ảnh hưởng ngày càng tăng của nhiễu từ các tế bào khác, điều khiển công suất trong trường hợp này để tạo một lượng dự trữ công suất cho các MS trong trường hợp nói trên. Ngoài ra điều khiển công suất đường xuống cho phép bảo vệ các Giải trải phổ Thu RAKE Đo SIR So sánh và quyết định Tạo bit điều khiển công suất Đo chất lượng công suất dài So sánh và quyết định SIR đích Chất lượng đích Vòng ngoài Vòng trong Ghép bit điều khiển công suất vào luồng phát Tín hiệu băng gốc thu Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 51 tín hiệu yếu do fading Rayleigh gây ra, nhất là khi các mã sửa lỗi làm việc không hiệu quả. Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở hệ số tỷ lệ lỗi khung FER (Frame Error Ratio) hoặc BER để quyết định SIR đích cho điều khiển công suất vòng trong. Tuy nhiên ta thấy rằng việc loại bỏ phading phải trả giá bằng tăng công suất phát. Vì thế khi MS bị phading sâu, công suất phát sử dụng lớn và nhiễu gây ra cho các tế bào khác cũng tăng. Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện điều chỉnh giá trị SIR đích ở BS (hoặc MS) cho phù hợp với từng yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi BER hay tỷ số khung lỗi FER. Lý do cần đặt lại SIR đích như sau: SIR yêu cầu (tỷ lệ với Eb/No) chẳng hạn là FER=1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường. Nếu ta đặt SIR đích cho trường hợp xấu nhất (tốc độ di chuyển của thuê bao là cao nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy, tốt nhất là để SIR đích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng được yêu cầu chất lượng. 3.4 Các thông số ảnh hưởng đến kỹ thuật điều khiển công suất Trong mô hình thực tế kỹ thuật điều khiển công suất chịu ảnh hưởng của rất nhiều thông số môi trường hay các chỉ số của hệ thống. Trong phần này ta tìm hiểu sơ lược về những thông số này như kích thước của bước điều khiển công suất, lỗi xảy ra khi ước lượng SIR, trễ hồi tiếp, tần số thực hiện của kỹ thuật, tín hiệu điều khiển công suất bị lỗi trên đường truyền, trôi công suất và sự ảnh hưởng của fading sâu. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 52 3.4.1 Kích thước của bước điều khiển công suất UE quyết định kích thước của bước điều khiển công suất dựa vào tín hiệu điều chỉnh công suất nhận được từ nút B. Cơ bản có hai phương pháp được sử dụng để ấn định kích thước bước điều chỉnh là bước cố định và bước thích nghi. Trong phương pháp cố định, mỗi lệnh mã hóa bằng 1 bit. Với phương pháp bước thích nghi, mỗi lệnh được mã hóa thành q bit để có thể thể hiện thành các giá trị khác nhau tùy thuộc vào sự khác biệt giữa giá trị SIR thu được và SIR đích. Ưu điểm của phương pháp sử dụng bước thích nghi là có thể bám theo tốt sự thay đổi của kênh truyền do nó có thể điều chỉnh một cách linh động sự thay đổi trong công suất phát. Nhưng trong thực tế, phương pháp này có khuyết điểm là do nó dùng lệnh điều khiển công suất nhiều bit, mà tốc độ của kỹ thuật điều khiển công suất phải lớn hơn tốc độ fading nhanh. Do đó sẽ tốn một lượng đáng kể trong băng thông của đường truyền. Còn kỹ thuật bước cố định, dù chỉ có thể tăng hay giảm một mức công suất cố định trong 1 chu kỳ điều khiển, nhưng trong thực tế phương pháp này được ưa chuộng hơn do tối ưu được băng thông đường xuống. Mặt khác do điều khiển công suất bước thích nghi có thể tăng giảm công suất một lượng lớn hơn bước cố định, nếu kỹ thuật này bám không tốt với thực tế kênh truyền thì nó sẽ làm công suất của một UE trở nên vượt bậc so với các UE khác, dẫn tới giảm dung lượng hệ thống. 3.4.2 Lỗi khi ước lượng SIR Do yêu cầu tốc độ cập nhật phải nhanh nên quá trình ước tính SIR cũng phải diễn ra trong thời gian tối ưu dẫn đến SIR đo được có thể không chính xác. Tuy nhiên lỗi khi ước tính SIR cũng không ảnh hưởng nhiều đến kết quả điều khiển công suất khi phải sử dụng bước cố định. Còn khi điều khiển công Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 53 suất bằng bước thích nghi thì yêu cầu SIR phải nghiêm ngặt do thuật toán này bám sát với từng sự thay đổi nhỏ trong kết quả so sánh SIR. 3.4.3 Trễ trên vòng hồi tiếp Trong môi trường fading nhanh, trễ hồi tiếp là một yếu tố ảnh hưởng khá lớn đến chất lượng điều khiển công suất. Trễ trên vòng hồi tiếp của phương pháp điều khiển công suất là thời gian trễ được tính từ khi bộ thu nhận ước tính xong kênh truyền đến khi đầu phát nhận được lệnh TPC và thực hiện điều chỉnh công suất. Do ảnh hưởng của trễ, sự điều chỉnh công suất phát không còn thích ứng với điều kiện kênh truyền hiện tại do khi đầu phát thực hiện điều khiển công suất xong thì môi trường cũng đã có sự thay đổi nhanh chóng, đặc biệt là khi môi trường chịu ảnh hưởng của fading nhanh. Gây ra chất lượng thu không còn đảm bảo so với yêu cầu Hình 3.4 Lược đồ thời gian trễ trong vòng điều khiển công suất Chúng ta sẽ thử ước lượng giá trị của trễ trong thực tế khoảng bao nhiêu lần so với chu kỳ của một vòng điều khiển công suất Tp. Giả sử rằng Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 1 Slot 2 Slot 2 Slot 1 Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Uplink transmission Downlink transmission UE t1 t3 t4 t3 Nút B t0 t2 t1 t3 t4 t5 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 54 UE bắt đầu truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ nhất tại thời điểm t0, time slot này sẽ tới nút B tại t1 với (t1 – t0) là trễ do khoảng cách truyền. Sau khi nhận được tín hiệu tại thời điểm t1 này, nút B sẽ ước lượng xong giá trị SIR vào thời điểm t2. Ở đây, quá trình tính toán này sẽ mất thời gian là Tp. Sau đó, dựa vào SIR tính được, nút B sẽ so sánh với SIR để phát lệnh TPC. Và lệnh TPC phải chờ đến thời gian t3 là lúc mà nút B truyền trên time slot 2. Lệnh TPC này đến UE tại t4 và công suất phát được điều chỉnh tại thời gian t5. Theo như phân tích trên đây thì tới khe thời gian thứ 4 công suất phát của UE mới được điều chỉnh tính từ lúc đo đặc SIR trên time slot thứ nhất. Hậu quả của trễ hồi tiếp này là công suất sẽ không theo sát thay đổi kênh truyền, dẫn đến công suất phát mạnh (gây nhiễu đến các thuê bao khác) hay yếu hơn (chất lượng không đảm bảo) so với SIR yêu cầu. 3.4.4 Tần số hoạt động Tần số hoạt động điều khiển công suất phải lớn hơn khoảng 10 lần so với tốc độ fading. Giả sử UE di chuyển với tốc độ khoảng 60Km/h, thì độ dịch tần số Doppler ở sóng mang 1.8Ghz là 100Hz. Do đó tốc độ của kỹ thuật điều khiển công suất phải lớn hơn 1 Khz để đảm bảo hoạt động của hệ thống. Trong W-CDMA, tần số của kỹ thuật điều khiển công suất là 1500 Hz do đó sẽ đảm bảo được chất lượng. Và với tốc độ 1500Hz, SIR được ước tính cứ mỗi 0,067ms, tương ứng với một chu kỳ của vòng điều khiển công suất là Tp. 3.4.5 Lỗi trên kênh hồi tiếp Do lệnh điều khiển công suất cũng sử dụng kênh truyền vô tuyến để truyền về UE do đó lỗi cũng có thể xảy ra đối với các lệnh này dẫn đến quyết định nhầm khi tăng hay giảm công suất. Vì thế đây cũng là một lý do tai sao Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 55 bước điều khiển công suất cố định (chỉ có 1 bit) được ưa dùng hơn so với bước thay đổi. 3.4.6 Trôi công suất Khi UE ở chuyển giao mềm SHO (Soft Hand Over), nó phát một lệnh điều khiển đường xuống đến tất cả các tế bào tham gia vào SHO. Các nút B giải lệnh một cách độc lập với nhau, vì không thể giải lệnh kết hợp ở RNC do trễ quá lớn và báo hiệu quá nhiều trong mạng. Do lỗi báo hiệu nên các nút B có thể giải lệnh điều khiển công suất theo các cách khác nhau. Nên có thể một nút B hạ thấp công suất phát của mình xuống trong khi nút B khác lại tăng công suất. Điều này dẫn đến công suất phát xuống bắt đầu trôi, hiện tượng này gọi là trôi công suất. Trôi công suất là hiện tượng không mong muốn, vì nó làm giảm hiệu năng chuyển giao mềm đường xuống. Trôi công suất có thể được điều khiển bởi RNC. Phương pháp đơn giản nhất là thiết lập giới hạn chặt chẽ đối với các dải động của điều khiển công suất. Các giới hạn này được áp dụng cho các công suất đặc thù của UE. Tất nhiên dải động càng nhỏ thì trôi công suất cực đại càng ít. Tuy nhiên điều này làm giảm độ lợi nhận được từ SHO. 3.4.7 Ảnh hưởng của fading sâu Do hiện tượng fading nhanh sẽ làm cho chất lượng của tín hiệu không đảm bảo ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống. Do đó vấn đề đặt ra là phải loại bỏ ảnh hưởng của fading hay làm giảm thiểu nó. Theo nghiên cứu thì để làm giảm ảnh hưởng của fading ta làm như sau: Với fading phẳng: máy phát phát một lượng công suất dư để bù cho hiện tượng fading khi hiện tượng này xảy ra, Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn 56 Với fading lựa chọn tần số ta sử dụng kỹ thuật phân tập để khắc phục. Có hai kỹ thuật phân tập là kỹ thuật phân tập không