Đồ án WCDMA – Công nghệ và ứng dụng

LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ viễn thông hiện nay đã và đang ngày càng có những bước phát triển vô cùng rực rỡ. Công nghệ GSM 2G với những ưu điểm về chất lượng thoại cùng với một số dịch vụ đã có những thành công to lớn tại rất nhiều quốc gia với tỷ trọng thuê bao di động chiếm tới trên 50% tổng số các thuê bao. Tuy nhiên, nhu cầu của người sử dụng về dịch vụ mới là không giới hạn, đòi hỏi các dịch vụ đa dạng và chất lượng cao từ thoại, audio, video đến truyền dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ GSM cũng đã vấp phải nhiều hạn chế trong việc thoả mãn các yêu cầu này. Quá trình phát triển dần qua các bước trung gian và tiến lên công nghệ 3G là một tất yếu. Hệ thống thông tin di động 3G với những ưu điểm nổi trội về dung lượng và công nghệ đã từng bước đáp ứng được những yêu cầu trên. Nghiên cứu về công nghệ thông tin di động 3G và các dịch vụ mà nó cung cấp cả về kiểu hình dịch vụ lẫn chất lượng dịch vụ là một đề tài lý thú song còn mới mẻ tại Việt Nam. Vì vậy mà em đã quyết định chọn đề tài “WCDMA – công nghệ và ứng dụng” làm đề tài tốt nghiệp. Nội dung đồ án gồm ba phần: Chương 1: Tổng quan về sự phát triển thông tin di động Chương 2: Công nghệ WCDMA Chương 3: Hướng triển khai 3G tại Việt Nam Do nội dung kiến thức tương đối rộng, thời gian có hạn và sự hiểu biết còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý và giúp đỡ của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Lê Thị Cẩm Hà đã tận tình giúp đỡ và trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật-Công Nghệ và các bạn đã giúp đỡ em rất nhiều trong việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thành Vinh TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG Lịch sử phát triển của thông tin di động Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ở băng tần 2 MHz. Sau thế chiến thứ hai mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng (1939 – 1945 ) với kĩ thuật FM ở băng tần 150 MHz. Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2. Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau. Cụ thể là : Các hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ nhất AMPS (Advanced Mobile Phone Service ) : Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến NAMPS (Narrow AMPS): AMPS băng hẹp. TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ. ETACS (Extended TACS): TACS mở rộng. NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 MHz. NMT 900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 MHz. NTT (Nippon Telegraph and Telephone): Hệ thống do NTT phát triển. JTACS (Japenish TACS): TACS Nhật Bản. NTACS (Narrow TACS): TACS băng hẹp. Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất là tương tự, sử dụng công nghệ FDMA. Tuy nhiên, các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu sử dụng ngày càng tăng mà trước hết là về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ thông tin di động tế bào thứ hai phải lựa chọn giải pháp kĩ thuật: kĩ thuật số hay kĩ thuật tương tự. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kĩ thuật số do nó đảm bảo chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn. Các hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính : GSM, IS_54 (Bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS) và JDC. Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai bao gồm : IS_54B TDMA. IS_136 TDMA IS_95 CDMA GSM (Global System for Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu. PCN (Personal Communication Network): Mạng thông tin cá nhân. CP-2 (Coreless Phone-2): Điện thoại không dây. DETC (Digital Enhanced Coreless Telecommunication): Viễn thông không dây số tiên tiến. PDC (Personal Digital Cellular): Hệ thống tổ ong số cá nhân. PCS (Personal Communication System): Hệ thống thông tin cá nhân. Thông tin di động thế hệ hai có những ưu điểm sau: Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau: Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bit tốc độ chuẩn. Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu dành tỷ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng. Áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số. Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống. Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn. Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN. Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số. Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn. Vì vậy mà yêu cầu một hệ thống thông tin di động thứ ba (3G) ra đời là một điều tất yếu. Các hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ ba Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về dịch vụ thông tin di động người ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba – 3G. ITU-R (International Telecommunication Union Radio Sector – Bộ phận vô tuyến của hiệp hội viễn thông quốc tế) đã tiến hành công tác tiêu chuẩn hoá cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT 2000 (Trước đây là FPLMTS). ở Châu Âu, ETSI đã tiến hành tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi UMTS (Universal Mobile Telecommunication System – Hệ thống viễn thông di động toàn cầu). Cả IMT-2000 và UMTS đều thống nhất sử dụng công nghệ W- CDMA cho truy nhập giao diện vô tuyến của mình. So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây)... để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh... Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh, cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình... Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1,5Gb/giây. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100Mb/giây khi di chuyển và tới 1Gb/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 những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác. Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, 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 đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Sofwave – Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu. Hình 1.1. Xu hướng phát triển của mạng thông tin di động Các yêu cầu cho thông tin di động 3G (hay UMTS) UMTS là gì ? UMTS là viết tắt của cụm từ Universal Mobile Telecommunication System, tức là Hệ Thống Viễn Thông di động toàn cầu. Thực chất đó chính là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (thường gọi là 3G). Hệ thống mới này sẽ hoạt động ở dải tần 2GHz. Nó sẽ cung cấp một loạt các dịch vụ băng rộng cho hệ thống thông tin di động bao gồm từ các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. UMTS sẽ mang tới chi phí thấp và tốc độ dữ liệu cho thông tin di động có thể lên tới 2Mbps. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 vẫn duy trì những tính năng toàn cầu của mạng. GSM/GPRS thế hệ thứ 2 đồng thời cung cấp thêm những tính năng tiên tiến. UMTS được thiết kế để truyền hình ảnh, đồ hoạ, thông tin video và các loại thông tin đa phương tiện khác cũng như là thoại và số liệu cho các thuê bao di động. Hệ thống UMTS sử dụng công nghệ CDMA băng rộng (WCDMA). Khả năng chuyển giao giữa UMTS và GSM cũng được hỗ trợ. Trong đó dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service) được coi là điểm hội tụ giữa các công nghệ 2G với bộ phận chuyển mạch gói của mạng UMTS. Các yêu cầu cho 3G Hiệp hội Viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) - nơi đưa ra những tiêu chuẩn sử dụng trong phạm vi công nghệ viễn thông đã giới thiệu một nhóm gọi là IMT-2000 (International Mobile Telecommunication) được giao nhiệm vụ là xác định rõ thế hệ tiếp theo của hệ thống thông tin di động. Nhóm này đã định nghĩa một cách chính xác những yêu cầu cho một hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) dựa trên các mục tiêu chính sau: Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập Internet nhanh. Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toàn cầu và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông tin di động. Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động. Với những mục tiêu chính như trên thì có thể thấy thông tin di động thế hệ thứ 3 sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyển thông cá nhân đa phương tiện. Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình ... Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3: Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2GHz như sau : - Đường lên : 1885 MHz – 2025 MHz. - Đường xuống: 2110 MHz – 2200 MHz. Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện. Nghĩa là mạng phải đảm bảo tốc độ của người sử dụng đến 2Mbit/s. Môi trường được chia thành 4 vùng : - Vùng 1: Trong nhà, ô pico có Rb 2 Mbit/s. - Vùng 2: Thành phố, ô macro có Rb 384 Kbit/s. - Vùng 3: Ngoại ô, ô macro có Rb 144 Kbit/s. - Vùng 4: Toàn cầu có Rb 9,6 Kbit/s. Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu. Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau. Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại. Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu. Tốc độ dữ liệu cao (tối thiểu) 144Kbps trong tất cả các môi trường vô tuyến và 2Mbps trong di động chậm và môi trường trong nhà. Chất lượng thoại tốt (có thể so sánh được với chất lượng thoại kết nối bằng dây). Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả hệ thống vệ tinh. Trên đây là những yêu cầu chung cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Hiện nay, châu Âu và các quốc gia sử dụng GSM cùng với Nhật đang phát triển W-CDMA (Wide band Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS-95) và mở rộng tiêu chuẩn này cho đến IS-2000. Phân loại các dịch vụ ở IMT-2000 Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết Dịch vụ di động Dịch vụ di động Di động đầu cuối/ di động cá nhân/ di động dịch vụ Dịch vụ thông tin định vị Theo dõi di động/theo dõi di động thông minh. Dịch vụ viễn thông Dịch vụ âm thanh (Audio) -Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (14-64Kbps) -Dịch vụ truyền thanh AM (32-64Kbps) -DỊch vụ truyền thanh FM (64-384Kbps) Dịch vụ số liệu -Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144Kbps) -Dịch vụ số liệu tương đối cao (144Kbps-2Mbps) -Dịch vụ số liệu tốc độ cao (>=2Mbps) Dịch vụ đa phương tiện -Dịch vụ Video (384Kbps) -Dịch vụ hình chuyển động (384Kbps-2Mbps) -Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (>=2Mbps) Dịch vụ internet Dịch vụ internet đơn giản Dịch vụ truy cập web (384 Kbps- 2Mbps) Dịch vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet (384Kbps-2Mbps) Dịch vụ Internet đa phương tiện Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (>=2Mbps) Ưu điểm của công nghệ WCDMA so với GSM Lý thuyết CDMA (Code Division Multiple Access) được xây dựng từ những năm 1951 và áp dụng trong thông tin quân sự vào thập niên 60. CDMA là nền tảng cốt lõi để xây dựng công nghệ WCDMA dùng cho 3G. Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. So với GSM, công nghệ WCDMA có những ưu điểm sau: CDMA dùng một mã ngẫu nhiên để phân biệt kênh thoại và dùng chung băng tần cho toàn mạng, có giải thuật mã hoá riêng cho từng cuộc gọi. Chỉ thiết bị được gọi mới biết được giá trị mã ngẫu nhiên và giải thuật giải mã qua các kênh báo hiệu. Chính vì thế tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn. Hệ thống CDMA có khả năng chuyển giao mềm. Khi thiết bị di động di chuyển vào giữa hai ô, thiết bị đồng thời nhận tín hiệu từ hai trạm phát gần nhất, tổng đài sẽ điều khiển cho hai trạm bắt tay nhau cho đến khi việc chuyển đổi trạm phát thành công. Có phần tương tự cơ chế chuyển giao trong GSM nhưng khả năng bắt tay của CDMA cao hơn. So với hệ thống tương tự AMPS, chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng CDMA có thể tăng lên 6 -10 lần. CDMA cũng có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin. Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM. GSM sẽ gặp khó khăn về phân bố lại tần số cho các ô. Ngoài ra công nghệ này còn được tăng cường các tính năng sau: - Phân tập phát. - Anten thích ứng. - Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến. Hình 1.2. Quá trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Phân bổ tần số cho ITM-2000 Phân bổ tần số là một tài nguyên quý báu của mỗi quốc gia, là tư liệu sản xuất quan trọng của các nhà khai thác vô tuyến. Việc phân bổ tần số cho các hệ thống thông tin di động là việc làm cần thiết với mục tiêu quan trọng là hạn chế ảnh hưởng lẫn nhau của các hệ thống vô tuyến nói chung và các hệ thống thông tin di động nói riêng. Hình 1.3. Phân bổ phổ tần ở WRC-92 cho IMT-2000 Việc phân bổ tần số cho các hệ thống IMT-2000 được công bố tại các kỳ hội nghị WRC (World Radio Conference). WCR-92 được công bố vào 02/1992 tại Malaga xác định dải tần là 1885 – 2025MHz và 2110 – 2200 MHz dành cho các hệ thống IMT-2000. Phân bổ phổ tần ở WRC-92 cho IMT-2000 được cho ở hình 1.3. WRC-2000 xử lý các vấn đề phổ tần để ứng dụng cho các thông tin di động tiên tiến trong khuôn khổ IMT-2000 với mục tiêu xác định các băng thông bổ sung có thể thoả mãn nhu cầu vào khoảng thời gian 2005-2010. Phân bổ phổ tần ở WRC-99 cho IMT-2000 được cho ở hình 1-4. Hình 1.4. Phân bổ phổ tần ở WRC-2000 cho IMT-2000 CÔNG NGHỆ WCDMA Giới thiệu về hệ thống WCDMA Cuối năm 1997, hai tổ chức tiêu chuẩn là ETSI của châu Âu và ARIB của Nhật Bản đã thoả thuận cùng liên kết xây dựng một tiêu chuẩn chung đáp ứng các yêu cầu đặt ra của IMT-2000, đó là tiêu chuẩn WCDMA. WCDMA hỗ trợ tốc độ 384 Kbps trên toàn bộ vùng phủ sóng và tốc độ 2 Mbps ở các vùng phủ sóng hữu hạn. Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng 2.1: Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA Băng thông chuẩn 5Mhz Phương thức ghép kênh Phân chia tần số/ phân chia thời gian Tốc độ chip 3.84Mcps Độ dài khung 10 ms Điều chế trải phổ QPSK cân bằng (đường xuống) Dual channel QPSK (đường lên) Trải phổ phức hợp Điều chế dữ liệu QPSK (đường xuống) BPSK (đường lên) Điều chế nhất quán Sử dụng kênh pilot dành riêng được dồn kênh theo thời gian (ở đường lên và đường xuống); không sử dụng kênh pilot chung đương xuống Đa tốc độ Trải phổ theo nhiều hệ số và nhiều mã Hệ số trải phổ 4- 256(đường lên) và 4-512(đường xuống) Điều khiển công suất Mạch vòng mở và vòng kín nhanh (1,6 Khz) Trải phổ đường xuống Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kênh, chuỗi Gold 218 để phân biệt ô và phân biệt người sử dụng. Trải phổ đường lên Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kệnh, chuỗi Gold 241 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q dịch thời gian với nhau) Chuyển giao Chuyển giao mềm Chuyển giao giữa các tần số Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế, các hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước lên thế hệ 3G. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 2.1. Hình 2.1. Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA Ký hiệu: HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao GPRS: Dịch vụ vô tuyến gói chung EDGE: Số liệu gói tốc độ cao GSM WCDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là đảm bảo chất lượng dịch vụ số liệu tốt hơn. Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: Chuyển mạch kênh (CS:Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: packet Swtched) như sau: * Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo: Dịch vụ bản tin ngắn SMS Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4 Kbps Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 Kbps * Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo: Chứa cả chế độ dịch vụ kênh Dịch vụ Email, Internet… Sử dụng các chức năng IWF/PDSN như: - Cổng vào cho mạng số liệu gói - IWF/PDSN có thể đặt tại MSC hay BSC độc lập Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP: wireless Application Protoncol) Giai đoạn tiếp theo để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và EDGE. Bước trung gian này được gọi là thế hệ 2,5G. 2.2.1. Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD. HSCSD là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh hiện nay 9,6 Kbps (hay cải tiến 14,4 Kbps) của GSM. Để tăng tốc độ số liệu, người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Có thể kết hợp động từ 1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64 Kbps cho một người sử dụng. Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,4 Kbps, như vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100 Kbps. Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (Internetworking Function: Chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (Terminal Adaption Function: Chức năng thích ứng đầu cuối) của MS. Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này. Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diện vô tuyến. Các kênh tốc độ cao chứ một số kênh con ở giao diện vô tuyến. Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF (hình 2.2). Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống HSCSD Ký hiệu: PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ PDN: Mạng số liệu công cộng MS: Trạm di động BTS: Trạm thu phát gốc BSC/TRAU: Bộ điều khiển trạm gốc/Khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ MSC: Trung tâm chuyển mạch di động IWF: Chức năng kết nối mạng Một tính năng đặc biệt của HSCSD là hỗ trợ cả kết nối đối xứng (số khe phát ở đường xuống bằng số khe phát ở đường lên đối với một người sử dụng) và không đối xứng (số khe phát ở đường xuống nhiều hơn số khe phát ở đường lên). HSCSD sử dụng điều chế 8-PSK cho phép đạt được tốc độ truyền số liệu cao hơn. Tuy nhiên, do sử dụng cơ chế chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất kém. Bởi khi một người sử dụng yêu cầu các khe thời gian, các khe này chỉ dành duy nhất cho người sử dụng đó, không được chia sử cho người dùng khác kể cả khi không có số liệu truyền trên đó. HSCSD chỉ được sử dụng ở những mạng có nhu cầu cao về truyền dữ liệu nhanh nên khả năng triển khai là hạn chế. 2.2.2. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS GPRS là dịch vụ số liệu gói tốc độ cao hơn cho GSM. GPRS khác HSCSD ở chỗ nhiều người sử dụng có thể cùng sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thế hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao. Một MS ở chế độ GPRS chỉ dành được tài nguyên vô tuyến khi nó có số liệu cần phát. Khi không có dữ liệu để phát, tài nguyên vô tuyến được dùng cho những người sử dụng khác. Nhờ vậy mà băng tần được sử dụng rất hiệu quả. Cấu trúc mạng GPRS được mô tả ở hình 2.3. Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt được tốc độ đến 115 Kbps. Tuy nhiên, đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người cùng sử dụng thì tốc độ sẽ thấp hơn. Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyển mạch kênh, nên việc đưa dịch vụ chuyển mạch gói vào đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị cho mạng (hình 2.3). mạng GPRS kết nối với các mạng số liệu công cộng như mạng IP/X-25. Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) và nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) thực hiện thu và phát các gói số liệu giữa các MS và các thiết bị đầu cuối số liệu cố định của mạng số liệu công cộng (PDN). Các nút GGSN còn cho phép phát thu các gói số liệu đến các MS ở các mạng thông tin di động GSM khác. Giao diện vô tuyến của GPRS sử dụng các tính năng cơ bản của giao diện vô tuyến GSM. Như vậy, cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói đều có thể sử dụng cùng sóng mang. Tuy nhiên, mạng đường trục của GPRS được thiết kế sao cho nó không phụ thuộc vào giao diện vô tuyến. Báo hiệu Báo hiệu và lưu lượng Hình 2.3. Cấu trúc mạng GPRS Ký hiệu: SMS: Dịch vụ bản tin ngắn SGSN: Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ GGSN: Điểm hỗ trợ GPRS cổng MT: Kết cuối di động TE: Thiết bị kết cuối PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng PDN: Mạng số liệu công cộng BSS: Phân hệ trạm gốc 2.2.3. Số liệu tốc độ cao GSM (EDGE) Cấu trúc EDGE nói chung giống như GPRS. Tuy nhiên, ở đây có sử dụng chức năng thay đổi cơ chế điều chế (Ví dụ như thay đổi 8-PSK sang GMSK, 16 QAM,…) cho tốc độ bit mềm dẻo và có thể cao hơn so với ở GPRS. Cấu trúc hệ thống WCDMA Cấu trúc tổng quát hệ thống UMTS Cấu trúc hệ thống UMTS hiện tại đang được nghiên cứu, về cơ bản gồm có 3 phần chính: Hình 2.4. Các phần tử của mạng UMTS Ký hiệu: Thiết bị người sử dụng UE Mạng truy nhập UTRAN Mạng lõi CN USIM (User Sim Card): Thẻ Sim Card của người sử dụng. MS ( Mobile Station): Máy di động. MSC (Mobile Server Switching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động. VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú. SGSN (Servicing GPRS (General Packet Radio Service) Suport Node): Điểm hỗ trợ GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ. GMSC (Gateway GPRS Suport Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng. HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú. UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS. CN (Core Network): Mạng lõi. Cấu trúc hệ thống W-CDMA được xây dựng dựa trên cơ sở của cấu trúc hệ thống UMTS. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA được thể hiện trên hình vẽ 2.5. Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch kênh (MSC) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói (SGSN). Các kênh thoại và kênh truyền số liệu được kết nối với các mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng GMSC và GGSN. Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF). Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng di động: HLR, AUC, EIR. Hình 2.5. Cấu trúc hệ thống WCDMA  Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Các khuyến nghị EISI đã công bố các yêu cầu đối với UTRAN: UTRAN phải hỗ trợ tốc độ số liệu cao, ít nhất là 384 Kbps trong vùng phủ sóng lớn và 2 Mbps trong nhà hoặc vùng phủ sóng tầng thấp (phủ sóng nhiều lớp). UTRAN cũng phải hỗ trợ các dịch vụ ở mức độ linh hoạt cao như các dịch vụ chuyển mạch gói hoặc chuyển mạch kênh. Phải hỗ trợ nhiều tốc độ truyền. Đa dịch vụ trên một kết nối cũng là một dịch vụ cần phải hỗ trợ. UTRAN phải mạnh hơn GSM về mặt dung lượng. UTRAN phải cung cấp các chức năng để hỗ trợ hai chế độ cùng tồn tại song song với GSM Tổng quát Phổ tần Phổ tần của hệ thống thông tin di động mặt đất UMTS gồm: Băng tần kép (1929- 1980 MHz ¸ 2110- 2170 MHz). Băng tần đơn (1910- 1920 MHz ¸ 2010- 2025 MHz). Dải phổ trên đã được lựa chọn ở cả Châu Âu và Nhật Bản. Còn ở Bắc Mỹ thì nó đã được sử dụng cho các hệ thống PCS. Hai chế độ kép Hệ thống UMTS ở Châu Âu có giao diện vô tuyến UTRAN với hai chế độ hoạt động là UTRAN FDD và UTRAN TDD đều sử dụng công nghệ nền tảng là WCDMA. Trong khi đó ARIB ở Nhật Bản cũng xây dựng một hệ thống 3G tương tự UMTS ở Châu Âu với giao diện vô tuyến cũng có hai chế độ là WCDMA và TD/CDMA cũng sử dụng công nghệ WCDMA làm nền tảng. Do đó ta có thể hiểu UTRAN FDD ở Châu Âu và WCDMA ở Nhật là một, băng tần sử dụng là băng tần kép có đường lên và đường xuống ở hai dải tần số khác nhau phân chia theo tần số. Cũng như vậy UTRAN TDD ở Châu Âu và TD/CDMA ở Nhật là một, sử dụng băng tần đơn có đường lên và xuống cùng băng tần nhưng được phân chia theo khe thời gian. Trong chế độ FDD, cặp sóng mang 5 MHz được sử dụng cho đường lên và đường xuống như sau: đường lên sử dụng dải tần từ 1920 MHz đến 1980 MHz. Đường xuống sử dụng dải tần từ 2110 MHz đến 2170 MHz; khoảng phân cách giữa đường lên và đường xuống là 190 MHz. Mặc dù sóng mang 5 MHz là sóng mang danh định nhưng chúng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz đến 5 MHz để sử dụng từng bước sóng mang 200 kHz. Trong chế độ TDD, một số tần số đã được định nghĩa: 1900 MHz đến 1920 MHz và 2010 MHz đến 2025 MHz. Một sóng mang cho trước được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Do vậy, không tồn tại khoảng phân cách giữa đường lên và đường xuống. Lợi ích của TD/CDMA và UTRAN TDD là khả năng quản lý lưu lượng không song công (lưu lượng giữa đường lên và đường xuống khác nhau). Bởi TD/CDMA có đường lên và đường xuống ở trên cùng một băng tần chỉ cách về mặt thời gian nên đối với việc truyền số liệu không cân bằng giữa đường lên và đường xuống hiệu quả phổ của chế độ TD/CDMA sẽ cao hơn so với chế độ WCDMA (ấn định hai băng tần riêng cho đường lên và đường xuống). Một ví dụ điển hình là internet, thông tin được tải xuống từ các trang WEB nhiều hơn so với thông tin được gửi đi rất nhiều. Đó chính là ưu điểm của chế độ UTRAN TDD và TD/CDMA. Tuy nhiên do kỹ thuật của hai chế độ này phức tạp hơn nên có thể chưa được triển khai ngay trong pha 1. Dung lượng UTRAN hỗ trợ cả tốc độ bit thấp lẫn tốc độ bit cao. Tốc độ 384 kbps khi chuyển động và 2 Mbps khi cố định đảm bảo đáp ứng nhu cầu khác nhau của người sử dụng từ thoại tới đa dịch vụ multimedia. Người sử dụng sẽ thấy hiệu quả ứng dụng cao hơn so với các ứng dụng ngày nay đang sử dụng trên mạng di động. Đa dạng tốc độ truyền số liệu cũng được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp trải phổ động và tương thích năng lượng truyền sóng. Dữ liệu chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Các dịch vụ gói đưa ra khả năng luôn luôn “trực tuyến – online” đối với các ứng dụng không cần chiếm một kênh riêng biệt. Đồng thời việc tính cước cho các dịch vụ này dựa trên tổng số byte số liệu trao đổi qua mạng chứ không tính tiền theo thời gian kết nối. UTRAN có một chế độ tối ưu gói. Nó hỗ trợ truyền nhanh các gói đột xuất, truyền trên kênh riêng khi lưu lượng gói lớn và liên tục. Chuyển giao mềm Đối với mạng GSM, MS chỉ có thể được nối tới một trạm thu phát (cell) tại một thời điểm. Trong khi MS chuyển động khi đang đàm thoại, chức năng chuyển giao handover sẽ nối máy di động tới trạm phát thích hợp nhất. Còn đối với UTRAN, UE có thể đồng thời được kết nối tới nhiều trạm thu phát. Nó được gọi là chuyển giao mềm (Soft Handover). Trong trường hợp UE được kết nối tới nhiều hơn một cell của cùng một trạm thì được gọi là chuyển giao mềm hơn (Softer Handover). Cấu trúc mạng truy nhập UTRAN Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem) kết nối tới mạng lõi trên giao diện Iu và kết nối với nhau trên giao diện Iur. Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Networlk Controller) và một hay nhiều Nút B (Node B). Các RNC được kết nối với nhau thông qua giao diện Iur, còn các nút B được kết nối với RNC thông qua giao diện Iub. Sau đây ta xem xét chức năng của các phần tử trong bộ điều khiển mạng vô tuyến: Nút B: có chức năng chuyển đổi dòng dữ liệu giữa hai giao diện Iub và Uu nên chức năng chính của nút B là thực hiện xử lý lớp vật lý của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ...). Ngoài ra, nút B còn tham gia khai thác và quản lý tài nguyên vô tuyến. Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC): là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC giao diện với mạng lõi và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa UE và UTRAN). RNC là điểm thâm nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi, chẳng hạn như quản lý tất cả các kết nối đến UE. Nó đóng vai trò như BSC. RNC điều khiển một nút B cho trước được xem như RNC điều khiển (CRNC). CRCN chịu trách nhiệm điều khiển tải và ứ nghẽn cho các ô của mình. Khi một kết nối UE-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC tham dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt. Đó là: RNC phục vụ SRNC (Service RNC): đối với một UE thì SRNC thực hiện kết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu RANAP (Radio Access Network Application) tương ứng từ/tới mạng lõi. SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN. Nó xử lý số liệu lớp 2 từ/tới giao diện vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một nút B nào đó được UE sử dụng để kết nối với UTRAN. RNC trôi hay RNC kề cận DRNC (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các ô được UE sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý lớp 2 đối với số liệu tới/từ giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur. Một UE có thể có nhiều DRNC. Lưu ý: một RNC vật lý có chứa tất cả các chức năng của CRNC, SRNC, DRNC. Mạng lõi CN Các phần tử trong mạng lõi CN gồm có: HLR: là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ của người sử dụng để lưu bản sao chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Lý lịch dịch vụ này bao gồm: thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được phép chuyển mạng và thông tin về các dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi... Các thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu trong HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao. HLR thường là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạng nhưng có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao. MSC/VLR: cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó. Chức năng của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh (CS). Chức năng của VLR là lưu giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vị trí của UE trong hệ thống đang phục vụ ở mức độ chính xác hơn HLR. Phần mạng được thâm nhập qua MSC/VLR thường được gọi là vùng CS. GMSC: có nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài. Do vậy GMSC được đặt tại điểm kết nối UMTS với mạng chuyển mạch kênh bên ngoài. SGSN: cung cấp việc định tuyến gói tin từ/tới một vùng dịch vụ của SGSN. Nó phục vụ tất cả các thuê bao sử dụng dịch vụ gói nằm trong vùng phục vụ của mình. Một thuê bao sử dụng dịch vụ gói có thể được bất cứ SGSN nào trong mạng phục vụ tuỳ thuộc vào vị trí của thuê bao. Có chức năng giống MSC/VLR nhưng dùng cho các dịch vụ chuyển mạch gói. Phần mạng được thâm nhập qua SGSN gọi là vùng PS. GGSN: GGSN được nối tới các mạng ngoài như mạng Internet, mạng X.25. Nhìn từ mạng ngoài thì GGSN đóng vai trò như bộ định tuyến cho các mạng ngoài tới được mạng W-CDMA. GGSN tiếp nhận số liệu (có địa chỉ của một người sử dụng nhất định) thì nó sẽ kiểm tra, nếu địa chỉ này là tích cực thì GGSN gửi số liệu đó tới SGSN tương ứng để phục vụ UE. Trong trường hợp địa chỉ này là không tích cực thì số liệu thu được bị loại bỏ. Các gói tin từ UE nguồn được định tuyến đến đúng mạng đích thông qua GGSN. Thiết bị người sử dụng UE Quan điểm diễn đàn của UMTS về máy đầu cuối là: Hai chế độ (UMTS/ GSM). Hai băng tần Tương thích với các thế hệ 3G, IMT-2000 và hệ thống 2G. Thiết bị người sử dụng gồm có hai phần chính, đó là: Thiết bị di động (ME): là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. Modul nhận dạng thiết bị UMTS (USIM): là một thẻ thông minh chứa nhận dạng thuê bao để thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khoá nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. Giao diện mở Giao diện Cu: là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho thẻ thông minh Giao diện Uu: là giao diện vô tuyến của WCDMA. Uu là giao diện mà qua đó UE truy nhập các phần tử cố định của hệ thống nên đây là giao diện quan trọng nhất ở UMTS. Giao diện Iu: là giao diện giữa UTRAN và CN. Giống như các giao diện tương ứng ở GSM: giao diện A (chuyển mạch kênh) và Gb (chuyển mạch gói), giao diện Iu 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 từ các nhà sản xuất khác nhau. Giao diện Iur: là giao diện giữa một nút B với một RNC. Giao diện này cho phép hỗ trợ sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất. Mạng truyền dẫn Truyền dẫn trên hệ thống UTRAN sẽ dựa trên ATM. Hiện nay người ta đang thảo luận xem liệu tiêu chuẩn UTRAN có nên bao gồm cả lớp truyền dẫn hay là nên để mở vì một số nhà cung cấp thiết bị muốn nó phải mang tính chất mở để cho phép nhà khai thác tự do lựa chọn. Thủ tục mạng lõi sẽ được ứng dụng cho truyền dẫn giữa các trạm thu phát vô tuyến và trung tâm chuyển mạch thông qua bộ điều khiển trạm gốc (Iu, Iub). Việc sử dụng ATM cho phép một số lượng khổng lồ các gói dữ liệu được truyền một cách hiệu quả với thời gian trễ thấp nhất. Một thủ tục ATM cho phép khoảng 300 cuộc gọi được truyền đi đồng thời trên một luồng E1/T1. ATM cũng thích hợp với các mạng có sự kết hợp của lưu lượng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Lưu lượng gói sẽ tăng rất lớn trong tương lai và một mạng chuyển mạch gói là rất cấn thiết. ATM có xu hướng được chuẩn hoá và được sử dụng như một phương tiện chuyên chở dữ liệu và một lớp tương thích ATM mới – AAL2, được đề xuất chuẩn hoá nhằm hỗ trợ các gói nhạy cảm với độ trễ gói (gói mang thông tin thoại). Để sử dụng mạng hiện tại một số nhà cung cấp cho rằng ATM là không cần thiết, giải pháp thay thế là dùng trực tiếp IP trên mạng truyền dẫn SONET/SDH chứ không dùng IP trên nền ATM. Với giải pháp này chắc chắn chi phí bỏ ra sẽ ít hơn mà tận dụng được các kỹ thuật trải phổ. Tuy nhiên, cho đến giờ phút này IP vẫn chưa chứng tỏ được sẽ là một tiêu chuẩn sẵn sàng đáp ứng một cách an toàn các thông tin đòi hỏi thời gian thực và không có trễ. Nó cũng chưa chứng tỏ rằng sẽ có khả năng quản lý lưu lượng của chuyển mạch kênh. Trong trường hợp chúng ta phải phụ thuộc hoàn toàn vào IP, nó sẽ được cải tiến hoặc lưu lượng chuyển mạch kênh sẽ không cần thiết đối với UMTS. Khi đó tất cả các thông tin thoại và các ứng dụng thời gian thực sẽ được chuyên chở trên IP sử dụng thủ tục H.323 hiện đang sử dụng cho Voice Over IP và Multimedia. Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống WCDMA Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống WCDMA Xét tổng thể, các hệ thống cdmaOne, cdma2000, WCDMA đều xây dựng dựa trên mô hình OSI, trợ giúp chức năng của lớp vật lý, lớp tuyến và lớp mạng. Lớp vật lý có nhiệm vụ truyền dẫn từng bit qua kênh vô tuyến. Lớp tuyến thực hiện việc chuyển không có lỗi các bit 0 và 1 từ lớp vật lý lên lớp mạng. Lớp tuyến phân dữ liệu thành các khung (độ dài khung tuỳ thuộc chuẩn của cdmaOne, cdma2000 hay WCDMA) rồi truyền theo trình tự, phát hiện lỗi khi nhận khung từ phía đối phương để yêu cầu đối phương truyền lại khung và thực hiện truyền lại khung nếu được đối phương yêu cầu. Lớp mạng nhận thông tin từ các host, biến đổi chúng thành các gói và định hướng các gói tới đích. Lớp mạng còn làm nhiệm vụ điều khiển tuyến cho các gói, đảm trách xử lý cuộc gọi. Trong các hệ thống này, các ứng dụng báo hiệu thông tin trực tiếp với lớp ba (lớp mạng). Các lớp trên là rỗng. Tương tự các ứng dụng lưu lượng (thoại hoặc số liệu) thông tin trực tiếp với lớp một (lớp vật lý ). Do đó, chỉ có lớp vật lý là trợ giúp cho ứng dụng lưu lượng. Hình 2.6. Phân lớp hệ thống CDMA tổng quát Xét cụ thể, cấu trúc phân lớp của WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở của hệ thống UMTS. Lớp vật lý . Lớp kết nối số liệu được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control), PDP (Packet Data Convergence Protocol) và BMC (Broadcast / Multicast Control). Lớp mạng. Trong các lớp được chia như trên thì lớp vật lý là lớp quan trọng nhất vì nó trực tiếp trợ giúp ứng dụng lưu lượng. Lớp vật lý trong WCDMA Kênh truyền tải được truyền dẫn nhờ kênh vật lý. Kênh vật lý được tổ chức dưới dạng các siêu khung, khung vô tuyến, khe thời gian như chỉ ra trong hình vẽ dưới đây. Lý thuyết của cấu trúc khung phân cấp này cũng giống phần nào lớp khung GSM TDMA. Tuy nhiên, nếu với GSM mỗi người sử dụng TDMA có 1 vị trí khe riêng thì trong W-CDMA số người có thể sử dụng đồng thời phụ thuộc vào tốc độ bit yêu cầu của thuê bao và hệ số trải phổ hợp của chúng. Các mức di động có thể phát liên tục hoặc gián đoạn ở mọi khe thời gian, ví dụ như khi dùng bộ tách thoại (VAD). Siêu khung UTRA/IMT-2000 gồm 72 khung vô tuyến, với 16 khe thời gian trong mỗi khung. Độ dài của mỗi khe thời gian là 0,625ms, tạo ra 10ms và 720ms cho khung vô tuyến và siêu khung tương ứng. Độ dài khung 10ms cũng phù hợp với độ dài khung của mã thoại ITU-G729 cho thông tin thoại trong khi nó là “tích con” của nhiều độ dài khung mã thoại toàn tốc và tốc độ một nửa của hệ thống GSM. Ta cũng thấy rằng việc xếp ghép của luồng hình của mã Videophone H.263 có thể được xếp trên các khung vô tuyến 10ms để hỗ trợ các dịch vụ hình tương tác khi đang di chuyển. Trên đường xuống của UTRA, kênh DPDCH và DPCCH được nối bằng cách ghép thời gian. Trên đường lên chúng được xếp ghép thành các nhánh modem I và Q. Ở chế độ FDD, kênh vật lý đường xuống được định nghĩa bởi mã trải phổ và tần số của nó. Hơn nữa, ở đường lên các kênh bốn pha và “in pha” trực giao của modem được dùng để phát thông tin điều khiển và dữ liệu đồng thời song song trên nhánh I và Q của modem và do đó pha sóng mang tương đối (I hoặc Q) được biết sẽ tạo thành phần nhận dạng của kênh vật lý. Trái lại, ở chế độ TDD, 1 kênh vật lý được xác định bởi mã trải phổ, tần số và khe thời gian của nó. Khuôn dạng kênh vật lý của UTRA và IMT-2000 cũng có những khác nhau nhưng không được đề cập thêm ở đây. Hình 2.7. Cấu trúc kênh vật lý của UTRA/IMT-2000 Các kênh trong WCDMA Các kênh truyền tải Trong UTRAN, số liệu được tạo ra ở các lớp cao được truyền tải trên đường vô tuyến bởi các kênh truyền tải bằng cách sắp xếp các kênh này lên các kênh vật lý khác nhau. Lớp vật lý được yêu cầu để hỗ trợ các kênh truyền tải với các tốc độ bit thay đổi nhằm cung cấp các dịch vụ với độ rộng băng tần theo yêu cầu và để ghép nhiều dịch vụ trên cùng một kết nối. Có hai loại kênh truyền tải: kênh truyền tải riêng và kênh truyền tải chung. Kênh truyền tải riêng Kênh truyền tải riêng duy nhất là kênh riêng DCH. Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một người sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời (các khung tiếng) cũng như thông tin điều khiển lớp cao (các lệnh chuyển giao và các báo cáo đo đạc từ UE). Lớp vật lý không thể nhận biết được nội dung thông tin được mang ở kênh DCH nên thông tin điều khiển lớp cao và số liệu người sử dụng được xử lý như nhau. Nhờ việc hỗ trợ tốc độ bit thay đổi và ghép kênh nên ở WCDMA không cần kênh truyền tải tách biệt cho số liệu và điều khiển giống như ở GSM. Kênh truyền tải riêng được đặc trưng bởi các tính năng như: điều khiển công suất nhanh, thay đổi tốc độ số liệu nhanh theo từng khung và khả năng phát đến một phần ô hay đoạn ô bằng cách thay đổi tính hướng anten của hệ thống anten thích ứng. Các kênh riêng hỗ trợ chuyển giao mềm. Kênh truyền tải chung UTRAN định nghĩa 6 kiểu kênh truyền tải chung. Các kênh này có một số điểm khác với các kênh trong GSM chẳng hạn như truyền dẫn gói ở các kênh chung và một số kênh dùng chung đường xuống để phát số liệu gói. Các kênh truyền tải chung không có khả năng chuyển giao mềm nhưng một số kênh có điều khiển công suất nhanh. a. Kênh quảng bá (BCH- Broadcast Channel) Được sử dụng để phát các thông tin đặc thù UTRAN hoặc ô. Trong một mạng, thường thì số liệu quan trọng nhất là các mã truy nhập ngẫu nhiên và các khe thời gian có thể cấp phát hay các kiểu phân tập phát được sử dụng bằng các kênh khác đối với một ô cho trước. Vì UE chỉ có thể đăng ký đến ô này nếu nó có thể giải mã được kênh quảng bá nên cần phải phát kênh này ở công suất khá cao để có thể phủ sóng đến tất cả các thuê bao trong vùng phủ yêu cầu. Tốc độ thông tin ở kênh quảng bá bị giới hạn bởi khả năng giải mã số liệu kênh quảng bá của các UE tốc độ thấp. Vì vậy kênh quảng bá phải có tốc độ số liệu thấp và cố định. Kênh truy nhập đường xuống (FACH- Forward Access Channel) Kênh truy nhập là một kênh truyền tải đường xuống mang thông tin điều khiển đến các UE nằm trong một ô cho trước. Các số liệu gói cũng có thể phát trên kênh FACH và trong mỗi ô có thể có nhiều kênh FACH. Một kênh FACH phải có tốc độ bit đủ thấp để tất cả các UE đều thu được. Trong trường hợp có nhiều kênh FACH thì các kênh bổ sung có thể có tốc độ bit cao hơn. Kênh FACH không sử dụng điều khiển công suất nhanh và để thu đúng các bản tin được phát phải chứa thông tin nhận dạng trong băng. Kênh tìm gọi (PCH- Paging Channel) Kênh tìm gọi là một kênh truyền tải đường xuống mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi, chẳng hạn khi mạng muốn khởi đầu thông tin với UE. Việc thiết kế kênh tìm gọi ảnh hưởng đến mức tiêu thụ công suất của UE ở chế độ chờ. UE càng ít thường xuyên điều chỉnh máy thu của mình để thu đúng các bản tin tìm gọi thì ac quy của nó càng tồn tại lâu ở chế độ chờ. Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH- Random Access Channel) Kênh truy nhập ngẫu nhiên là kênh truyền tải đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển từ UE như: yêu cầu thiết lập một kết nối. Kênh này cũng có thể được sử dụng để phát đi các cụm nhỏ số liệu gói từ UE. Để có thể hoạt động đúng thì hệ thống phải thu được kênh RACH từ mọi vị trí trong vùng phủ của ô. Do vậy tốc độ số liệu thực tế phải đủ thấp. Kênh gói chung đường lên (CPCH- Common Packet Channel) Kênh gói chung đường lên là mở rộng của kênh RACH để mang số liệu của người sử dụng được phát theo gói ở đường lên. FACH ở đường xuống cùng với kênh này tạo thành một cặp kênh để truyền số liệu. Khác với RACH, kênh này sử dụng điều khiển công suất nhanh, cơ chế phát hiện tranh chấp trên cơ sở vật lý và thủ tục giám sát trạng thái CPCH. So với một hoặc hai khung của bản tin RACH, truyền dẫn CPCH đường lên có thể kéo dài nhiều khung. Kênh đường xuống dùng chung (DSCH- Dedicated Shared Channel) Kênh đường xuống dùng chung là kênh truyền tải được sử dụng để mang thông tin của người sử dụng và/hoặc thông tin điều khiển chung cho nhiều người. Nó gần giống kênh FACH nhưng hỗ trợ điều khiển công suất nhanh cũng như tốc độ bit thay đổi theo khung. Không cần thiết phải thu được kênh này trong toàn bộ vùng phủ của ô và có thể sử dụng các chế độ khác nhau của các phương pháp phân tập phát được sử dụng cho kênh DCH đường xuống. Kênh dùng chung đường xuống luôn liên kết với kênh DCH đường xuống. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý Mỗi kênh truyền tải đều đi kèm với một chỉ thị khuôn dạng truyền tải (TFI) tại mọi thời điểm mà các kênh truyền tải sẽ nhận được số liệu từ các mức cao hơn. Lớp vật lý kết hợp thông tin TFI từ các kênh truyền tải khác nhau vào chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI). TFCI được phát trên kênh điều khiển để thông báo cho máy thu biết kênh nào đang tích cực ở khung hiện thời. Thông báo này không cần thiết khi sử dụng cơ chế phát hiện khuôn dạng kênh truyền tải mù (DBFD) được thực hiện bằng cách kết nối với các kênh riêng đường xuống. Máy thu giải mã TFCI rồi chuyển nó lên mức cao hơn cho từng kênh trong tất cả các kênh truyền tải đang có thể tích cực ở kết nối. Hình 2.8 biểu thị sự sắp xếp hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khối truyền tải. Một kênh vật lý điều khiển một hay nhiều kênh số liệu vật lý tạo nên một kênh truyền tải đa hợp được mã hoá (CCTrCh: Coded Composite Transport Channel). Có thể có nhiều kênh CCTrCh trên một kết nối cho trước nhưng trong trường hợp này chỉ có một kênh điều khiển vật lý được phát. Các kênh truyền tải được sắp xếp lên các kênh vật lý khác nhau, một số kênh truyền tải được mang bởi kênh vật lý giống nhau hay thậm chí còn cùng một kênh vật lý. Sau đây là sự sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý. Giao diện giữa các lớp cao và lớp vật lý Các kênh vật lý Các kênh vật lý đường lên Các kênh vật lý riêng đường lên (DPDCH và DPCCH) Truyền dẫn đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) với hệ số trải phổ thay đổi từ 256 đến 4 và một kênh điều khiển vật lý DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) duy nhất với hệ số trải phổ cố định bằng 256. Tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Đối với tốc độ số liệu thay đổi thì thông thường tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo ở kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành được phát bằng chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải TFCI (Tranfer Forming Composed Indicator). Do vậy, nếu giải mã TFCI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất và vì TFCI chỉ thị khuôn dạng số liệu của cùng khung nên việc mất TFCI không ảnh hưởng lên các khung khác. Độ tin cậy của TFCI cao hơn độ tin cậy của việc phát hiện số liệu của người sử dụng ở kênh DPDCH. Vì thế ít khi xảy ra mất TFCI. DPCCH đường lên có cấu trúc khe với 15 khe trên một khung vô tuyến 10 ms. Mỗi khe dài 2560 chip sẽ có độ rộng 666 ms tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Như vậy độ rộng khe rất rộng so với độ rộng khe bằng 577 ms ở GSM. Mỗi khe có 4 trường dành cho: các bit hoa tiêu hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải TFCI, các bit điều khiển công suất phát TPC (Transmit Power Control) và các bit thông tin phản hồi FBI (Feedback Information). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống. Có sáu cấu trúc khe cho kênh DPCCH đường lên. Tồn tại các tuỳ chọn sau: 0, 1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không có các bit TFCI. Các bit hoa tiêu và TPC luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPCCH. Kênh DPDCH chỉ có một trường Ndata còn kênh DPCCH có 4 trường như hình vẽ. Hình 2.9. Cấu trúc khung vô tuyến kênh DPDCH/DPCCH đường lên Thông số k trong hình 2.9 xác định số bit trên khe chứa kênh vật lý riêng đường lên. Nó liên quan đến hệ số trải phổ kênh vật lý như sau SF=256/2k và do vậy SF của kênh DPDCH có thể thay đổi từ 256 xuống 4. Lưu ý rằng DPDCH và DPCCH đường lên trên cùng một kết nối lớp 1 nói chung có các tốc độ bit khác nhau: có hệ số trải phổ khác nhau và các gía trị k khác nhau. b. Kênh vật lý chung đường lên Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PRACH (Physical Random Access Channel) được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH. Kênh này gồm hai phần: phần tiền tố và phần bản tin. Phát RACH: RACH được phát truy nhập ngẫu nhiên dựa trên phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh. UE có thể khởi đầu phát tại một số dịch thời quy định trước ký hiệu là các khe thâm nhập. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và chúng cách nhau 5120 chip. Hình 2.10 cho thấy số thứ tự của khe truy nhập và khoảng cách giữa chúng. Các lớp cao cung cấp thông tin về các khe truy nhập sử dụng ở ô hiện thời. Hình 2.10. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên được cho trong hình 2.11. Phát truy nhập ngẫu nhiên gồm một hay nhiều tiền tố dài 4096 chip và một bản tin dài 10 hay 20 ms. UE thông báo độ dài của phần bản tin cho mạng bằng các chữ ký riêng và (hoặc) các khe truy nhập. Các lớp cao hơn sẽ quy định chữ ký và khe thời gian thâm nhập nào được sử dụng cho độ dài bản tin nào. Hình 2.11. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên Phần tiền tố của RACH Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký. Có 16 tổng số chữ ký được xây dựng trên tập mã Hadmard có độ dài 16. Phần bản tin của RACH Khung vô tuyến của phần bản tin dài 10 ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần: phần số liệu mang thông tin lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin lớp 1, phần số liệu và phần điều khiển được phát đồng thời. Phần bản tin dài 20 ms gồm hai khung vô tuyến liên tiếp của phần bản tin. Phần số liệu gồm 10*2k bit với k= 0, 1, 2, 3 tương ứng với hệ số trải phổ SF = 256, 128, 64, 32 cho phần bản tin. Hình 2.12. Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin của RACH Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu biết trước để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán và hai bit TFCI, tương ứng với hệ số trải phổ bằng 256. Tổng số bit TFCI trong bản tin thâm nhập ngẫu nhiên là 15*2= 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin thâm nhập hiện thời. Hoạt động của RACH không bao hàm điều khiển công suất, vì thế để đảm bảo mức công suất hợp lý các tiền tố được phát với công suất tăng dần theo từng nấc, thủ tục này chỉ hợp lý cho một thời gian ngắn (một hoặc hai khung phụ thuộc vào môi trường). Sau khi các tiền tố RACH được BS phát hiện thì nó được công nhận bằng kênh chỉ thị bắt AICH (Acquistion Indicator Channel) được phát xuống từ BS. Sau đó phần bản tin của RACH (10 hoặc 20ms) mới được phát. Hệ số trải phổ được chọn theo nhu cầu nhưng phải được sự đồng ý trước của mạng. Kênh gói chung vật lý PCPCH Kênh gói chung vật lý PCPCH được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH và đây là sự mở rộng của RACH. Sự khác nhau cơ bản so với truyền số liệu ở RACH là kênh này có thể dành trước nhiều khung và có điều khiển công suất. CPCH đi cặp với DPCCH đường xuống để cung cấp thông tin điều khiển công suất nhanh. Ngoài ra, mạng cũng có một tuỳ chọn để thông báo cho các đầu cuối phát 4 tiền tố điều khiển công suất trước khi phát thực sự. Trong một số trường hợp điều này có lợi vì nó cho phép thực hiện điều khiển công suất trước khi phát số liệu thực sự. Phát CPCH Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA-CD với chỉ thị bắt nhanh. Cấu trúc và định thời khe truy nhập ngẫu nhiên giống như RACH. Phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH gồm một hay nhiều tiền tố truy nhập (A-P) dài 4069 chip, một tiền tố phát hiện va chạm (CD-P) dài 4069 chip, một tiền tố điều khiển công suất DPCCH (PC-P) dài từ 0 đến 8 khe và một bản tin có độ dài khả biến N´10 ms. Hình 2.13. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên CPCH Phần tiền tố truy nhập CPCH: giống phần tiền tố của RACH. Ở đây các chuỗi chữ ký tiền tố RACH được sử dụng. Số chuỗi được sử dụng có thể nhỏ hơn số chuỗi được sử dụng ở tiền tố RACH. Mã ngẫu nhiên có thể chọn hoặc là một đoạn mã của mã Gold khác được sử dụng để tạo ra mã ngẫu nhiên hoá cho tiền tố của RACH hoặc là cùng một mã ngẫu nhiên trong trường hợp tập chữ ký dùng chung. Phần tiền tố phát hiện tranh chấp CPCH: giống như phần tiền tố RACH. Ở đây các chuỗi chữ ký tiền tố RACH được sử dụng. Mã ngẫu nhiên tiền tố phát hiện va chạm của PCPCH được rút ra từ cùng một mã ngẫu nhiên sử dụng ở tiền tố thâm nhập CPCH. Mã ngẫu nhiên được chọn khác với mã Gold được sử dụng để tạo ra các tiền tố phát RACH và CPCH. Phần tiền tố điều khiển công suất CPCH: là một tiền tố điều khiển công suất DPCCH. Độ dài tiền tố điều khiển công suất là một thông số có giá trị từ 0 đến 8 khe được thiết lập bởi các lớp cao. Phần bản tin CPCH: Mỗi bản tin gồm số khung 10 ms chia thành 15 khe dài 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần: phần số liệu mang thông tin lớp cao và phần điều khiển mang thông tin lớp thấp. Các phần số liệu và phần điều khiển được phát đồng thời. Phần số liệu gồm 10*2k bit, trong đó k = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 tương ứng với các hệ số trải phổ 256, 128, 64, 32, 16, 8, 4. Hệ số trải phổ của phần điều khiển bản tin là 256. Các kênh vật lý đường xuống Kênh vật lý đường xuống Kênh truyền tải riêng đường xuống (DCH) được phát trên kênh vật lý riêng đường xuống. Chỉ có một kiểu kênh vật lý riêng: kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH). Trong một kênh DPCH đường xuống, số liệu riêng được tạo ra bởi lớp hai và các lớp trên, nghĩa là kênh truyền tải riêng DCH được ghép kênh theo thời gian với thông tin điều khiển được tạo ra ở lớp một (các bit hoa tiêu, các lệnh điều khiển công suất phát TPC và một TFCI tuỳ chọn). Do vậy, có hai loại kênh vật lý riêng đường xuống: kênh chứa TFCI và kênh không chứa TFCI. UTRAN sẽ quyết định có phát TFCI hay không và nếu phát thì các UE phải hỗ trợ việc sử dụng TFCI ở đường xuống. Mỗi khung của DPCH đường xuống dài 10 ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài 2560 chip tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Hình 2.14 mô tả cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống. Hình 2.14. Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh DPCH đường xuống Thông số k xác định tổng số bit trên một khe của DPCH đường xuống. Quan hệ của nó với hệ số trải phổ như sau: SF = 512/2k. Hệ số trải phổ có thể thay đổi từ 512 đến 4. Kênh vật lý chung đường xuống Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh CPICH có tốc độ cố định (30 Kbps, SF=256) để mang chuỗi bit/ký hiệu được định nghĩa trước. Có hai loại kênh CPICH: kênh CPICH sơ cấp và thứ cấp. Chúng khác nhau về lĩnh vực sử dụng và các hạn chế đối với các tính năng vật lý của chúng. Hình 2.15 mô tả cấu trúc khung của CPICH. Hình 2.15. Cấu trúc khung vô tuyến của CPICH Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH) Kênh P-CCPCH là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định (30 Kbps, SF=256) được sử dụng để mang BCH. Cấu trúc khung của P-CCPCH được cho trong hình 2.16. Cấu trúc khung này khác với DPCH đường xuống ở chỗ không có lệnh TPC, TFCI và các bit hoa tiêu. P-CCPCH không được phát trong 256 chip đầu của từng khe vì trong khoảng thời gian này SCH sơ cấp và thứ cấp được phát. Hình 2.16. Cấu trúc khung cho kênh P-CCPCH Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CCPCH) S-CCPCH được sử dụng để mang thông tin FACH và PCH. Có hai kiểu S-CCPCH: kiểu có TFCI và kiểu không có TFCI. UTRAN xác định có phát TFCI hay không, nếu có các UE phải hỗ trợ việc sử dụng TFCI. Tập các tốc độ cũng giống như đối với DPCH đường xuống. Cấu trúc khung của S-CCPCH được cho trong hình 2.17. Hình 2.17. Cấu trúc khung vô tuyến cho kênh S-CCPCH FACH và PCH có thể được sắp xếp trên cùng một hay ở các kênh S-CCPCH khác nhau. Nếu FACH và PCH được sắp xếp trên cùng một kênh S-CCPCH thì chúng có thể được sắp xếp trên cùng một khung. Sự khác biệt chính giữa S-CCPCH và P-CCPCH là P-CCPCH có tốc độ định trước còn S-CCPCH có thể hỗ trợ tốc độ thay đổi với sự trợ giúp của TFCI. Ngoài ra P-CCPCH phát liên tục trên toàn bộ ô còn S-CCPCH chỉ phát khi có số liệu và có thể phát trong một búp hướng hẹp (chỉ đúng cho S-CCPCH mang FACH). Kênh đồng bộ (SCH) Kênh đồng bộ SCH là trường hợp đặc biệt của kênh vật lý không thể nhìn thấy ở lớp trên, kênh này được UE sử dụng để tìm ô, SCH gồm hai kênh con: SCH sơ cấp và thứ cấp. Các khung 10ms của SCH được chia thành 15 khe, mỗi khe dài 2560 chip. Hình 2.18 minh hoạ cấu trúc của khung vô tuyến SCH. UE phải có khả năng đồng bộ với ô trước khi biết được mã ngẫu nhiên đường xuống. SCH sơ cấp gồm một mã được điều chế 256 chip, mã đồng bộ sơ cấp (PSC) ký hiệu là cp. PSC như nhau cho mọi ô trong hệ thống. SCH thứ cấp gồm phát lặp 15 chuỗi các mã được điều chế có độ dài 256 chip. Các mã đồng bộ thứ cấp (SSC) được phát đồng thời với SCH sơ cấp. SSC được ký hiệu là Csi,k trong đó i=1, .., 64 là số của nhóm mã ngẫu nhiên và k = 0, 1, .., 14 là số của khe. Mỗi SSC được chọn từ tập của 16 mã dài 256 chip. Chuỗi này ở SCH thứ cấp chỉ thị mã ngẫu nhiên đường xuống của ô thuộc nhóm mã nào. Các mã đồng bộ sơ và thứ cấp được điều chế bởi ký hiệu a để chỉ thị sự có mặt của mã hoá STTD ở kênh P-CCPCH và được cho ở bảng sau: P-CCPCH được mã hoá STTD a=+1 P-CCPCH không được mã hoá a=-1 Hình 2.18. Cấu trúc kênh đồng bộ Kênh vật lý dùng chung đường xuống (PDSCH) Hình 2.19. Cấu trúc khung vô tuyến của PDSCH Kênh PDSCH được sử dụng để mang kênh dùng chung đường xuống. Kênh này được nhiều người sử dụng dùng chung trên cơ sở ghép kênh mã. Vì DSCH luôn liên kết với DCH nên PDSCH luôn liên kết với DPCH. Cấu trúc khung vô tuyến của PDSCH được cho trong hình 2.19. Có hai phương pháp báo hiệu để thông báo cho UE về việc có số liệu cần giải mã trên DSCH: hoặc bằng trường TFCI hoặc bằng báo hiệu lớp cao. Kênh chỉ thị bắt (AICH) Kênh AICH là một kênh vật lý được sử dụng để mang các chỉ thị bắt. Chỉ thị bắt AIs tương ứng với chữ ký s ở kênh PRACH hoặc PCPCH. Hình 2.20 minh hoạ cấu trúc của AICH. AICH gồm một chuỗi lặp của 15 khe thâm nhập liên tiếp AS (Access Slot), mỗi khe dài 40 bit và gồm 2 phần: phần chỉ thị bắt (AI) gồm 32 ký hiệu giá trị thực a0,..,a31 và một phần không sử dụng gồm 8 ký hiệu giá trị thực a32,..,a39. Kênh có SF=256. Hình 2.20. Cấu trúc khung vô tuyến cho AICH Các ký hiệu giá trị thực a0,..,a31 được xác định như sau: Trong đó AIs nhận các giá trị +1, -1 và 0 là chỉ thị bắt tương ứng với chữ ký s và chuỗi bs,0,.., bs,31 được cho theo bảng. Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) Kênh PICH có tốc độ cố định (SF=256) được sử dụng để mang các chỉ thị tìm gọi (PI). PICH luôn liên kết với S-CCPCH mà ở đó kênh PCH được sắp xếp lên. Một khung PICH dài 10 ms chứa 300 bit (b0, b1,..,b299). Trong đó, 288 bit (b0, b1,..,b287) được sử dụng để mang các PI và các bit còn lại (b288, b289,...,b299) không được định nghĩa. N chỉ thị tìm gọi {PI0, .., PIN-1} (N=18, 36, 72 hay 144) được phát ở từng khung PICH. PI được tính toán ở lớp cao hơn cho từng UE và được sắp xếp vào chỉ thi tìm gọi PIp, trong đó: p được tính từ các lớp cao hơn, số khung hệ thống (SFN) của khung vô tuyến P-CCPCH khi xảy ra khung vô tuyến PICH và số các chỉ thị tìm gọi trên khung (N): p = (PI + [((18 ´(SFN+[SFN/8] + [SFN/64] + [SFN/512])) mod 144)´N/144])mod N Các kênh logic Thông tin được truyền từ lớp MAC đến lớp vật lý thông qua các kênh truyền tải. Tuy nhiên các thông tin này có thể bắt đầu cao hơn trong ngăn xếp của giao thức, trong trường hợp này thì thông tin được truyền từ lớp RLC tới lớp MAC thông qua các kênh logic. Các kênh logic được sắp xếp lên các kênh truyền tải và các kênh truyền tải lần lượt được sắp xếp vào các kênh vật lý. RLC giao tiếp với MAC thông qua một số kênh logic. MAC sắp xếp các kênh logic này vào kênh truyền tải như được mô tả. Các kênh logic liên quan đến thông tin đang được truyền, trong khi đó kênh truyền tải liên quan rất nhiều đến cách thức mà thông tin được truyền. Có hai nhóm kênh logic: nhóm các kênh điều khiển và nhóm các kênh lưu lượng. Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) được sử dụng ở đường xuống để truyền thông tin hệ thống. Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) được sử dụng để tìm gọi một MS trong một hoặc nhiều ô. Kênh điều khiển chung (CCCH) được các thiết bị đầu cuối sử dụng ở đường lên khi chúng muốn thâm nhập vào mạng mà không có bất cứ kết nối nào với mạng. Kênh điều khiển riêng (DCCH) được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống để gửi thông tin điều khiển. W-CDMA cũng định nghĩa kênh điều khiển kênh dùng chung nhưng kênh này chỉ được sử dụng trong chế độ TDD. Kênh lưu lượng riêng (DTCH) là kênh điểm đến điểm được dùng riêng cho một UE để truyền số liệu của người sử dụng. Các kênh DTCH có thể được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Kênh lưu lượng chung là kênh không hướng điểm đến đa điểm để truyền thông tin người sử dụng đến mọi UE hoặc chỉ một UE. Kênh CTCH chỉ có ở đường xuống. Hình 2.21. Sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải Có rất nhiều cách để sắp xếp giữa các kênh logic và các kênh truyền tải. Việc sắp xếp này phụ thuộc vào một loạt tiêu chuẩn như: loại thông tin được gửi, thông tin phải được gửi đến các UE hay không và UE có một kết nối được thiết lập với mạng hay chưa. Có thể sắp xếp giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý cho chế độ FDD như được chỉ ra trong hình 2.21. Điều chế và ngẫu nhiên hoá trong WCDMA Hình 2.22. Quan hệ giữa trải phổ điều chế và ngẫu nhiên Định kênh và ngẫu nhiên hoá các kênh vật lý Sự khác nhau giữa trải trải phổ điều chế và ngẫu nhiên hoá là: trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu nhằm tăng độ rộng băng tần của tín hiệu phát và chống nhiễu, còn quá trình ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các UE và các trạm cơ sở BS. Ở W-CDMA, quá trình trải phổ được thực hiện bằng các mã định kênh và quá trình ngẫu nhiên hoá được thực hiện bằng các mã ngẫu nhiên hoá. Ngẫu nhiên hoá được thực hiện sau khi trải phổ nên độ rộng băng tần của tín hiệu không thay đổi nhưng cho phép phân biệt các tín hiệu từ các nguồn khác nhau. Tốc độ chip của W-CDMA là 3,84 Mcps. Các mã định kênh Các kết nối đường xuống trong một đoạn ô và kênh vật lý đường lên của một UE được phân biệt bằng các mã định kênh. Các mã định kênh ở đây chính là các mã trải phổ ở UTRA được xây dựng dựa trên cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Kỹ thuật này cho phép thay đổi các hệ số trải phổ khác nhau và đảm bảo tính trực giao giữa các mã trải phổ có độ dài khác nhau. Các mã định kênh Cch,SF,k (ch là kênh, SF là hệ số trải phổ và 0£k£SF-1) lấy từ cây mã cho phép nén phổ theo hệ số trải phổ nhỏ nhất. Cách chọn mã định kênh từ nhánh được chỉ thị bởi mã có hệ số trải phổ nhỏ nhất. Một kênh vật lý có thể sử dụng một mã trong cây nếu không có kênh vật lý nào khác được phát đang sử dụng cùng cây mã đang sử dụng một mã ở nhánh dưới, nghĩa là sử dụng hệ số trải phổ cao hơn được tạo ra từ mã trải phổ dự định sử dụng. Cấu trúc cây của mã định kênh được mô tả ở hình 2.23. Hình 2.23. Cấu trúc cây của mã định kênh Các mã định kênh được tạo ra theo các biểu thức sau: Cch,1,0 = (1) [Cch,2,0] = [Cch,1,0 Cch,1,0] = (1,1) [Cch,2,1] = [Cch,1,0 -Cch,1,0] = (1,-1) [Cch,2(n+1),0] = [Cch,2(n),0 Cch,2(n),0] [Cch,2(n+1),1] = [Cch,2(n),0 -Cch,2(n),0] [Cch,2(n+1),2] = [Cch,2(n),1 Cch,2(n),1] [Cch,2(n+1),3] = [Cch,2(n),1 - Cch,2(n),1],… Mã ngẫu nhiên hoá Mã ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các đường truyền dẫn từ các người sử dụng khác nhau. Để phân biệt các ô người ta sử dụng các mã ngẫu nhiên hoá sau đây: * Chế độ FDD: các mã Gold với chu kỳ 10 ms (38400 chip ở 3,84 Mcps) được sử dụng với độ dài mã bằng 218-1 chip. * Chế độ TDD: các mã ngẫu nhiên hoá có độ dài 16 chip được sử dụng. Để phân biệt các UE thì các họ mã ngẫu nhiên hoá sau đây được sử dụng: * Chế độ FDD: các mã Gold với chu kỳ 10 ms hoặc các mã S(2) có chu kỳ 256 chip. * Chế độ TDD: các mã có chu kỳ 16 chip cùng với chuỗi chèn giữa có độ dài phụ thuộc môi trường. Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường lên Các kênh vật lý riêng đường lên (DPCCH/DPDCH) Hai kênh vật lý DPDCH và DPCCH được truyền dẫn song song (đa mã) và điều chế QPSK song kênh (hay ghép kênh theo mã I-Q). Các mã trải phổ định kênh được tạo ra góc quay giới hạn ở ±90o giữâ hai chip liên tiếp trong cùng một ký hiệu. Góc quay 180o chỉ xảy ra khi giữa hai ký hiệu liên tiếp. Phương pháp này làm giảm tỉ số giữa giá trị công suất đỉnh và giá trị công suất trung bình PAR (Peak to Average) của tín hiệu truyền so với truyền dẫn QPSK thông thường. Hình 2.24. Ghép kênh mã I-Q cùng với ngẫu nhiên hoá phức Hai kênh vật lý riêng đường lên không được ghép theo thời gian mà ghép theo mã I-Q vì chế độ phát đường lên có thể không liên tục (DTX- Discontinuous Transmission) (chẳng hạn dịch vụ thoại) gây nhiễu âm đối với thiết bị âm thanh đặt gần đầu cuối không được bảo vệ. Ví dụ trong các chu kỳ im lặng không cần phát đi bất cứ thông tin nào, chỉ có thông tin cho mục đích bảo dưỡng đường truyền được phát (chẳng hạn điều khiển công suất với tốc độ kênh là 1,5kHz). Với tốc độ này việc phát hoa tiêu và các ký hiệu điều khiển công suất ghép theo thời gian trên đường lên sẽ gây nhiễu âm thanh ở giữa băng tần thoại. Do đó ghép kênh theo mã I-Q được sử dụng để loại bỏ hiện tượng này. Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và các kênh DPDCH được cho trong hình 2.25. Trước hết, các kênh DPDCH và DPCCH cơ số hai được trình bày ở các chuỗi giá trị thực tức là được sắp xếp sao cho bit “0” được đặt vào “+1”, còn “1” được đặt vào “-1”. DPCCH được trải phổ đến tốc độ chip bằng mã định kênh cc, còn kênh DPDCH thứ n (DPDCHn, 0£n£6) được trải phổ đến tốc độ chip bằng mã định kênh cd,n. Sau đó các tín hiệu đã được trải phổ được đánh trọng số bằng các hệ số khuếch đại: bc cho DPCCH và bd cho tất cả DPDCH. Sau khi được đánh trọng số, các luồng chip giá trị thực ở các nhánh I và Q được cộng và được xử lý như các luồng chip giá trị phức. Sau đó tín hiệu giá trị phức này được ngẫu nhiên hoá bằng một mã ngẫu nhiên hoá giá trị phức Slong,n hoặc Sshort,n. Mã ngẫu nhiên hoá được đồng bộ với các khung vô tuyến có nghĩa là chip ngẫu nhiên hoá đầu tiên tương ứng với mở đầu của một khung vô tuyến. Hình 2.25. Sơ đồ tổng quát trải phổ và ghép kênh vật lý đường lên DPCCH và các kênh DPDCH Kênh PCPCH Kênh này như đã nói phần trước bao gồm hai phần: phần tiền tố và phần bản tin. Ta chỉ xét phần bản tin vì phần tiền tố chỉ dùng mã ngẫu nhiên không dùng mã định kênh. Phần bản tin gồm phần số liệu và phần điều khiển. Các bit của hai phần này trước khi trải phổ được sắp xếp sao cho: giá trị “0” được đặt vào “+1”, giá trị 1 được đặt vào “-1”. Phần điều khiển được trải phổ đến tốc độ chip bằng mã định kênh cc, còn phần số liệu được trải phổ bằng mã định kênh cd. Sau khi định kênh các tín hiệu giá trị trực được đánh trọng số bằng các hệ số khuyếch đại, bc cho phần điều khiển và bd cho phần số liệu. Tại mọi thời điểm, ít nhất một trong số các giá trị bc và bd có biên độ 1. Sau khi đánh trọng số các luồng chip giá trị thực trên các nhánh I và Q được xử lý như một luồng chip phức. Tín hiệu giá trị phức sau đó được ngẫu nhiên hoá phức Sc-msg,n.. Mã ngẫu nhiên hoá 10ms của phần bản tin (chip ngẫu nhiên hoá đầu tiên tương ứng với khởi đầu khung vô tuyến của phần bản tin). Hình 2.26. Phần bản tin của PCPCH Kênh PRACH Kênh này gồm hai phần: phần tiền tố và phần bản tin. Ta chỉ xét phần bản tin của kênh này vì phần tiền tố chỉ dùng mã ngẫu nhiên không dùng mã định kênh. Phần bản tin bao gồm phần số liệu và phần điều khiển. Các bít của hai phần này trước khi trải phổ được xắp xếp sao cho : giá trị “0” được đặt vào “+1”, giá trị “1” được đặt vào “-1”. Phần điều khiển được trải phổ đến tốc độ chip bằng mã định kênh cc, còn phần số liệu được trải phổ bằng mã định kênh cd. Sau khi định kênh các tín hiệu giá trị thức được đánh trọng số bằng các hệ số khuyếch đại, bc cho phần điều khiển và bd cho phần số liệu. Tại một thời điểm, ít nhất một trong số các giá trị bc và bd có biên độ 1. Sau khi đánh trọng số các luồng chip giá trị thực trên các nhánh I và Q được xử lý như một luồng chip phức. Tín hiệu giá trị phức sau đó được ngẫu nhiên hoá bằng mã ngẫu nhiên hoá phức Sr-mgs,n. Mã ngẫu nhiên hoá 10 ms được đồng bộ với các khung 10ms của phần bản tin. Hình 2.27. Sơ đồ phần bản tin của PRACH Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường lên Có hai loại mã trên đường lên là: mã dài và mã ngắn. Mã dài được cắt thành các độ dài khung 10ms để đạt được 38400 chip với tốc độ 3,84 Mchip/s. Độ dài mã ngắn là 256 chip. Các mã dài được sử dụng nếu BS sử dụng máy thu RAKE. Còn các mã ngắn được sử dụng các bộ tách đa người sử dụng hoặc các máy thu loại nhiễu được sử dụng. Cả hai họ mã đều chứa hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã đường lên. Các mã ngắn này được chọn từ họ mã S(2) mở rộng. Các mã dài được chọn từ họ mã Gold. Chuỗi ngẫu nhiên hoá giá trị phức trong trường hợp mã ngắn được tạo ra bằng cách kết hợp hai chuỗi và trong trường hợp mã dài là từ một mã chuỗi trong đó chuỗi thứ hai là phiên bản trễ của chuỗi thứ nhất. Chuỗi ngẫu nhiên dài Clong,1,n và Clong,2,n cho mã được tạo ra bằng cách cộng modun2 theo vị trí bit của các đoạn 38400 chip của hai chuỗi cơ số hai được sinh ra bởi các đa thức bậc 25. Chuỗi Clong,2,n là phiên bản dịch 16777232 chip của chuỗi Clong,1,n. Hình 2.28. Sơ đồ bộ tạo chuỗi ngẫu nhiên đường dài Hình 2.29. Sơ đồ bộ tạo chuỗi ngẫu nhiên ngắn đường lên cho chuỗi 255 Các chuỗi ngẫu nhiên ngắn Cshort,1,n(i) và Cshort,2,n(i) được định nghĩa từ một chuỗi nằm trong họ S(2) mở rộng. Ngoài ra còn sử dụng chữ ký tiền tố cho việc mã hoá tiền tố một số kênh như kênh PRACH và PCPCH. Những kênh này có hai phần là phần tièn tố và phần bản tin. Phần tiền tố được phát đi bằng cách sử dụng cùng chuỗi mã ngẫu nhiên hoá như truyền dẫn đường lên. Điểm khác ở đây là chỉ có 4096 chip ở đầu chu kỳ mã là cần và các chuyển đổi trạng thái điều chế được hạn chế bằng cách khác. Các tiền tố cả các kênh này có mẫu điều chế của chúng gọi là chuỗi chữ ký tiền tố. Chữ ký tiền tố tương ứng với một chữ ký S gồm 256 đoạn lặp của chữ ký Ps(n), n= 0..15. Chữ ký này được xác định như sau: Csig(i) = Ps(i mod 16), i= 0,1…1095. Trong đó chữ ký Ps(n) nhận được từ tập 16 mã Hadamard độ dài 16. Các mã này được xác định theo bảng. Mã ngẫu nhiên hoá cho DPCCH/DPDCH Các kênh này có thể sử dụng cả hai mã ngẫu nhiên hoá dài và ngắn. Tín hiệu ở hai kênh sau khi ghép mã I-Q sẽ được ngẫu nhiên hoá phức bằng hai loại mã. Việc sử dụng thao tác ngẫu nhiên hoá phức sau khi trải phổ bằng mã định kênh cho phép tránh được hiện tượng truyền dẫn trên các nhánh độc lập vì rằng thông thường các mức công suất của DPDCH và DPCCH rất khác nhau cho nên nhiều khi truyền dẫn hai kênh nhưng lại gần như truyền dẫn một kênh trên một nhánh độc lập. Mã ngẫu nhiên hoá dài đường lên thứ n ký hiệu là Slong,n(i) = Clong,n(i), i= 0,1,.., 38399 trong đó chỉ số thấp nhất ứng với chip được phát đầu tiên. Mã ngắn ngẫu nhiên hoá đường lên thứ n ký hiệu là Sshort, n(i) = Cshort,n(i), i= 0,1,..38399 trong đó chỉ số thấp nhất ứng với chip được phát đầu tiên. Mã ngẫu nhiên hoá cho PRACH a. Mã ngẫu nhiên hoá phần bản tin Mã ngẫu nhiên hoá thứ n phần bản tin của PRACH ký hiệu là Sr-msg,n được xây dựng trên mã dài và xác định như sau: Sr-msg,n(i) = Clong,n(i+4096), i=0,1,..,38399 trong đó chỉ số thấp nhất tương ứng với chip được phát đầu tiên của khung vô tuyến 10ms. b. Mã tiền tố Mã tiền tố Cpre,n là một chuỗi giá trị phức được xây dựng từ mã ngẫu nhiên tiền tố Sr-pre,n và chữ ký tiền tố Csig,s như sau: Cpre,n,s(k) = Sr-pre,n(k). Csig,s(k).e, k =0,1,2..,4095 trong đó k =0 tương ứng với chip được phát đầu tiên. Mã ngẫu nhiên hoá tiền tố Sr-pre,n(k) được xây dựng trên cơ sỏ mã ngẫu nhiên hoá dài được xác định: Sr-pre,n()(i) = Clong,1,n(i), i = 0,1,..,4095. Mã ngẫu nhiên hoá cho PCPCH a. Mã ngẫu nhiên hoá phần bản tin Mã ngẫu nhiên hoá dài thứ n cho phần bản tin của PCPCH ký hiệu là Sc-msg,n được xác định như sau: Sr-msg,n(i) = Clong,n(i+8192), i = 0,1,..38399 trong đó chỉ số thấp nhất tương ứng với chip được phát đầu tiên của khung vô tuyến 10 ms. Trong trường hợp tài nguyên truy nhập được dùng chung cho cả PRACH và PCPCH, thì Sc-msg,n được định nghĩa như sau Sr-msg,n(i) = Clong,n(i+4096), i =0,1,..,38399 trong đó chỉ số thấp nhất ứng với chip được phát đầu tiên của khung vô tuyến 10 ms. Trường hợp mã ngắn được sử dụng ta có: Sr-msg,n(i) = Cshort,n(i), i = 0,1,.., 38399. Mã tiền tố của PCPCH cũng giống như trường hợp PRACH. b. Mã ngẫu nhiên hoá tiền tố điều khiển công suất Mã này giống như mã cho phần bản tin của PCPCH. Điều chế đường lên Điều chế đường lên phải được thiết kế để đạt được hiệu suất khuếch đại của UE lớn nhất và hoặc giảm nhiễu âm thanh do UE gây ra. Chuỗi chip giá trị phức được điều chế QPSK như sau: Hình 2.30. Điều chế kênh vật lý đường lên Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường xuống Định kênh và trải phổ kênh vật lý đường xuống Trên đường xuống QPSK được lựa chọn cùng với ghép kênh theo thời gian cho các luồng số liệu và điều khiển. Nhiễu âm thanh không xảy ra khi phát không liên tục DTX ở đường xuống vì các kênh điều khiển được phát liên tục. Cùng với một số mã được phát đồng thời ở đường xuống nên không cần thiết việc tối ưu hoá tỷ số công suất đỉnh /công suất trung bình PAR (Peak to Average). Ngoài ra, dành riêng một mã cho việc phát DPCCH sẽ dẫn đến việc sử dụng mã tài nguyên không tốt khi cần nhiều truyền dẫn từ một nguồn. Vì các nhánh I và Q có công suất như nhau nên thao tác ngẫu nhiên hoá sẽ không đưa ra được sự khác biệt về thay đổi đường bao tương tự như ở đường lên. Phát không liên tục được thực hiện bằng cách bật/ tắt. Trải phổ đường xuống được thực hiện bằng các mã định kênh giống như đường lên. Nhiều người sử dụng sẽ dùng chung một cây mã ở một mã ngẫu nhiên hoá duy nhất. Thông thường chỉ có một mã ngẫu nhiên hoá nên chỉ có một cây mã cho một đoạn ô. Các kênh riêng và kênh chung chia sẻ một tài nguyên cây mã. Chỉ có một ngoại lệ đối với các kênh vật lý: kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel) không sử dụng mã ngẫu nhiên đường xuống. Trên đường xuống hệ số trải phổ kênh riêng không thay đổi theo khung: sự thay đổi tốc độ số liệu được thích ứng bằng thao tác thích ứng tốc độ hay phát không liên tục DTX (tắt phát trong một khe). Chỉ có một trường hợp đặc biệt là kênh dùng chung đường xuống DSCH có hệ số trải phổ thay đổi theo khung. Kênh vật lý chưa được trải phổ gồm có một chuỗi các ký hiệu giá trị nhận thực nhận giá trị “+1”, “-1”, “0” trừ kênh AICH. Trong đó “0” chỉ thị phát không liên tục DTX. Kênh AICH các giá trị của ký hiệu phụ thuộc vào tổ hợp của các chi thị bắt được phát. Mỗi cặp ký tự liên tiếp được bộ biến đổi song song vào nối tiếp (S/P) và được sắp xếp theo lên các nhánh I (ký hiệu chẵn) và Q (ký hiệu lẻ). Các kênh (trừ kênh AICH) có ký hiệu số “0” được định nghĩa như là ký hiệu đầu tiên cho mỗi khung. Còn kênh AICH thì ký hiệu số “0” được định nghĩa như là ký hiệu đầu tiên trong mỗi khe thời gian truy nhập. Sau đó các nhánh I và Q được trải phổ đến tốc độ chip bằng bằng cùng một mã định kênh Cch,SF,m. Các chuỗi giá trị thực ở các nhánh I và Q sau đó được xử lý như là một chuỗi chip giá trị phức. Chuỗi chip này được ngẫu nhiên hoá (nhân phức theo vị trí chip bằng một chuỗi ngẫu nhiên giá trị phức Sdl,n). Đối với P-CCPCH mã ngẫu nhiên hoá được đồng bộ với biên giới khung của P-CCPCH, nghĩa là chip phức đầu tiên của khung P-CCPCH đã trải phổ được nhân với chip số không của mã ngẫu nhiên hoá. Đối với các kênh đường xuống khác mã ngẫu nhiên được đồng bộ với mã ngẫu nhiên cấp cho P-CCPCH. Trong trường hợp này mã ngẫu nhiên không nhất thiết phải đồng bộ với biên giới của khung kênh vật lý mà nó thực hiện ngẫu nhiên. Định kênh và trải phổ cho kênh SCH Kênh đồng bộ đường xuống SCH là trường hợp đặc biệt của kênh vật lý không thể nhìn thấy ở lớp trên. Nó chứa hai kênh: kênh SCH sơ cấp và thứ cấp . Máy đầu cuối cần sử dụng kênh này để tìm các ô. Các kênh này không chịu sự khống chế của mã ngẫu nhiên hoá đặc thù ô. Đầu cuối phải có khả năng đồng bộ với ô trước khi biết được mã ngẫu nhiên đường xuống. SCH sơ cấp chứa từ mã 256 chip như nhau cho tất cả các ô. Kênh SCH được phát không điều chế mã. Từ mã được kết cấu từ các chuỗi có độ dài ngắn hơn: 16 chip để tối ưu phần cứng đầu cuối. Các từ mã SCH thứ cấp là các chuỗi tương tự nhưng khác nhau ở các BS khác nhau. 16 chuỗi này được sử dụng để tạo ra 64 từ mã khác nhau cho phép nhận dạng 64 nhóm mã mà BS trực thuộc. Các từ mã SCH chưa điều chế để chỉ thị việc sử dụng phân tập phát vòng kín trên kênh BCH. Bản thân SCH có thể sử dụng phân tập phát chuyển theo thời gian TSTD và đây là kênh duy nhất ở UTRA FDD sử dụng TSTD. Ngẫu nhiên hoá kênh vật lý đường xuống Hình 2.31. Cấu hình của bộ tạo mã ngẫu nhiên đường xuống Ngẫu nhiên hoá đường xuống sử dụng các mã dài: các mã Gold giống như mã đường lên. Mã ngẫu nhiên giá trị phức được tạo ra từ một mã duy nhất bằng cách tạo trễ giữa các nhánh I và Q. Chu kỳ mã được cắt ngắn. Các chuỗi mã ngẫu nhiên được cấu trúc bằng cách kết hợp hai chuỗi thực vào một chuỗi phức. Mỗi chuỗi thực được kết cấu bằng cách cộng modun 2 theo vị trí của các đoạn 38400 chip của hai chuỗi nhị phân được tạo ra từ các đa thức tạo mã bậc 18. Kết quả nhận được các đoạn của tập các chuỗi mã Gold. Các mã ngẫu nhiên được lặp lại cho các khung vô tuyến 10ms. Sơ đồ khối tổng quát trải phổ và điều chế kênh vật lý đường xuống Sơ đồ khối tổng quát trải phổ kênh vật lý đường xuống trừ kênh SCH được cho trong hình 2.32. Sơ đồ điều chế cho đường xuống tương tự như cho đường lên. Trước hết mỗi cặp ký tự liên tiếp được biến đổi S/P và được sắp xếp lên nhánh I (ký hiệu chẵn) và Q (ký hiệu lẻ). Sau đó các nhánh I, Q được trải phổ đến tốc độ chip bằng cùng một mã định kênh Cch,SF,m . Các chuỗi chip giá trị phức ở nhánh I, Q được ngẫu nhiên hoá bằng một chuỗi ngẫu nhiên giá trị phức Sdl,n. Hình 2.32. Sơ đồ khối trải phổ kênh vật lý đường xuống trừ SCH Hình 2.33 cho thấy cách kết hợp các kênh đường xuống khác nhau. Mỗi kênh sau trải phổ giá trị phức được đánh trọng số bởi hệ số Gi . Các kênh giá trị phức P-SCH và S-SCH được đánh trọng số bởi các thừa số Gp và Gs . Sau đó tất cả các kênh đường xuống được kết hợp với nhau bằng cách cộng phức Ở đường xuống chuỗi chip giá trị phức sau trải phổ được điều chế QPSK như cho ở hình 2.33. Hình 2.33. Sơ đồ khối ghép kênh vật lý đường xuống Mã hoá kênh và dồn kênh dịch vụ Mã hoá kênh và ghép xen cho các dịch vụ người sử dụng WCDMA sử dụng ba lớp dịch vụ cơ bản tương ứng với các phương pháp mã hoá FEC: Các dịch vụ chuẩn chỉ sử dụng mã hoá xoắn. Các dịch vụ chất lượng cao có sử dụng thêm mã hoá Reed-Solomon. Các dịch vụ có phương pháp mã hoá riêng, tức là các dịch vụ mà lớp 1 WCDMA không sử dụng một phương pháp mã hoá định trước nào. Hình 2.34. Các phương pháp mã hoá FEC cơ bản cho WCDMA Mã hoá/ghép xen trong (inner coding/interleaving): Mã hoá xoắn trong có tốc độ r = 1/3 hoặc 1/2 (khi đòi hỏi tốc độ bit cao). Đa thức tạo mã có dạng như bảng sau: Đa thức tạo mã trong WCDMA Tốc độ Chiều dài K Đa thức tạo mã 1 Đa thức tạo mã 2 Đa thức tạo mã 3 Khoảng cách tự do 1/3 9 557 663 711 18 1/2 9 561 753 Không dùng 12 Sau khi mã hoá xoắn, dữ liệu sẽ được ghép xen, phương thức ghép xen phụ thuộc vào yêu cầu về độ trễ của dữ liệu: đối với các dịch vụ có độ trễ thấp, hệ thống sẽ thực hiện ghép xen trong bản thân khung 10 ms; đối với các dịch vụ có độ trễ cao hơn, hệ thống có thể thực hiện ghép xen giữa các khung với số lượng 15 khung (150ms) cho một lần ghép. Mã hoá/ghép xen ngoài (outer coding/interleaving): Việc mã hoá ngoài sử dụng mã hoá RS với r = 4/5 trên 28 mức ký tự symbol. Sau khi mã hoá ngoài, tín hiệu sẽ được ghép xen giữa các khung. Dồn kênh dịch vụ Một kết nối có thể chứa nhiều dịch vụ được dồn kênh thời gian với nhau. Việc dồn kênh thời gian có thể được thực hiện trước hoặc sau khi mã hoá trong hoặc mã hoá ngoài. Hình 2.35. Dồn kênh dịch vụ trong WCDMA Sau khi được dồn kênh dịch vụ, dữ liệu sẽ được gán vào một hoặc nhiều kênh DPDCH. Hệ thống cũng có thể xử lý tách biệt các dịch vụ bằng cách thực hiện mã hoá/ghép xen riêng biệt cho từng dịch vụ và gán các dịch vụ này vào các kênh DPDCH riêng biệt. Với phương thực này, có thể thực hiện điều khiển công suất và chất lượng các dịch vụ một cách riêng biệt. Hình 2.36. Dồn kênh dịch vụ tách biệt trong WCDMA Biến đổi tốc độ bit Sau khi mã hoá kênh và dồn kênh dịch vụ, tốc độ bit của dữ liệu sẽ được thay đổi bằng với một giá trị trong tập tốc độ chuẩn của kênh vật lý dành riêng. Đường lên và đường xuống sử dụng các phương pháp thay đổi tốc độ bit khác nhau. Ở đường lên, việc thay đổi tốc độ bit được dựa trên phương pháp lặp không cân bằng hoặc chèn/bớt mã. Phương pháp chèn/bớt mã được sử dụng đối với các tốc độ bit có độ sai khác 20% so với tốc độ chuẩn. Trong các trường hợp khác, hệ thống sử dụng lặp không cân bằng để đạt được tốc độ chuẩn gần với tốc độ bit hiện tại nhất. Ở đường xuống, việc thay đổi tốc độ bit dựa trên phương pháp lặp hoặc chèn/bớt mã chỉ được thực hiện đối cho tốc độ cao nhất của kết nối có tốc độ bit thay đổi hoặc cho các kết nối đối có tốc độ bit cố định. Đối với các tốc độ bit thấp, hệ thống sẽ thực hiện lặp và chèn/bớt mã, đồng thời sử dụng phương pháp phát không liên tục, tức là chỉ có một phần của khe thời gian được sử dụng để phát. Phương pháp này được sử dụng để làm đơn giản hoá việc truyền dữ liệu với tốc độ không biết trước. Điều khiển công suất và chuyển giao trong WCDMA Bắt đồng bộ mạng Tại thời điểm bật nguồn, MS sẽ sử dụng kênh SCH sơ cấp để đồng bộ khe thời gian với trạm gốc nào có công suất phát lớn nhất. Sau đó, bằng kênh SCH thứ cấp, MS thực hiện đồng bộ khung và xác định nhóm mã của trạm gốc bằng cách tương quan hoá tín hiệu thu được tại vị trí của mã đồng bộ thứ cấp với 16 khả năng có thể của mã đồng bộ thứ cấp này. Để đạt được đồng bộ khung, 16 chuỗi giải điều chế phải tương quan với 16 mã dịch theo chu kỳ của chuỗi điều chế kênh SCH thứ cấp, tạo ra tổng số 256 giá trị tương quan khác nhau. Bằng cách xác định cặp mã/dịch pha có độ tương quan lớn nhất, MS sẽ xác định được nhóm mã và khung đồng bộ. Sau đó, MS sẽ xác định mã scrambling mà trạm gốc sử dụng bằng cách thực hiện tương quan theo symbol của kênh CCPCH với tất cả các mã scrambling trong nhóm mã đã được xác định trước đó. Sau khi xác định được mã scrambling, MS có thể xác định được kênh CCPCH sơ cấp, thực hiện đồng bộ đa khung và đọc các thông tin trên kênh BCCH. Điều khiển công suất Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là vấn đề rất quan trọng. Vì các người sử dụng dùng chung một tần số tại cùng một thời điểm nên một người sử dụng không được phát một công suất cao đến mức các người sử dụng khác bị lấn át. Chẳng hạn, nếu một người sử dụng gần trạm gốc phát cùng công suất với một người sử dụng ở biên giới ô thì tại trạm gốc tín hiệu từ người sử dụng gần đó sẽ lớn đến mức nó chồng lấn hoàn toàn tín hiệu từ người sử dụng ở xa. Do đó, tín hiệu của người sử dụng ở xa không thể khôi phục được và đó chính là hiện tượng gần-xa. Để tránh hiện tượng này thì UE phải được hướng dẫn để hiệu chỉnh mức công suất phát sao cho mọi đường truyền dẫn từ mọi người sử dụng trong ô đến được trạm gốc với cùng mức công suất. Điều khiển công suất ngoài việc chống lại được hiện tượng gần-xa còn chống được các hiệu ứng của phađinh Rayleigh. Vì vậy, điều khiển công suất được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống. W-CDMA sử dụng hai kỹ thuật điều khiển công suất chính: điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín. Điều khiển công suất vòng hở: đầu cuối đánh giá công suất phát yêu cầu dựa trên công suất tín hiệu thu được từ trạm gốc và thông tin quảng bá từ trạm gốc có liên quan đến công suất phát. Cụ thể, trạm gốc phát quảng bá công suất phát trên kênh CPICH, thiết bị đầu cuối sử dụng thông tin này và mức công suất thu được để đánh giá công suất nên được sử dụng ở đường lên. Điều khiển công suất vòng hở chỉ đánh giá rất thô công suất lý tưởng mà đầu cuối nên sử dụng. Do vậy, điều khiển công suất vòng hở chỉ được sử dụng khi UE thực hiện thâm nhập lần đầu nhờ kênh PRACH hoặc PCPCH. Điều khiển công suất vòng kín: UE hoặc trạm gốc đo tỉ số SIR và so sánh tỉ số này với giá trị SIR đích. Sau đó, trạm gốc hoặc UE ra lệnh cho đầu xa tăng công suất phát nếu SIR quá nhỏ và giảm công suất phát nếu SIR quá cao. Điều khiển công suất vòng kín cũng được biết đến như điều khiển công suất nhanh vì các lệnh điều khiển công suất và các thay đổi xảy ra ở tốc độ 1,5 lần/s. Trong mọi trường hợp thì tốc độ này đủ nhanh để vượt qua các thay đổi suy hao đường truyền và các hiệu ứng phađinh Reyleigh ngoại trừ trường hợp UE đang di chuyển ở tốc độ cao. Các lệnh điều khiển công suất vòng kín được gửi trên các kênh điều khiển vật lý mà được kết hợp với các kênh số liệu vật lý. Ví dụ: ở đường lên có kênh DPDCH kết hợp với kênh DPCCH. Bên cạnh các thông tin khác, DPCCH mang các lệnh điều khiển công suất đến trạm gốc. Lệnh điều khiển công suất được gửi đều đặn ở một khe thời gian trong khung 10ms (15 khe). Mỗi lệnh điều khiển công suất có thể chỉ thị cho phía gửi giữ nguyên công suất phát hoặc giảm hoặc tăng công suất phát theo các mức: 1dB, 2dB hoặc 3dB. Tương tự, ở đường xuống các chỉ thị điều khiển công suất được gửi ở kênh DPCCH. Cũng có một kiểu điều khiển công suất khác, đó là: điều khiển công suất vòng ngoài. Mục đích chính của phương pháp này là duy trì chất lượng dịch vụ ở một mức tối ưu. Như vậy, mục đích của điều khiển công suất là phải duy trì SIR tại phía thu ở mức tối ưu. Tuy nhiên, giá trị SIR đích là một hàm của chất lượng được yêu cầu cho dịch vụ được hỗ trợ. Nếu chúng ta sử dụng tỉ số lỗi khung (FER) ở giao diện vô tuyến để đo chất lượng dịch vụ thì SIR là một hàm của FER. Chuyển giao W-CDMA/UMTS có 4 loại chuyển giao: ba kiểu chuyển giao mềm và chuyển giao cứng: Chuyển giao giữa các cung trong ô hay chuyển giao mềm hơn (Intersector hay Softer Handoff). Chuyển giao giữa các ô hay chuyển giao mềm (Intercell hay Solf Handoff). Chuyển giao mềm –mềm hơn (Soft- Softer Handoff). Chuyển giao cứng (Hard Handoff). Các tham số cần thiết trong quá trình chuyển giao Công suất mã tín hiệu thu RSCP (Received Code Signal Power) Công suất thu trên một mã được đo ở bit pilot của kênh CPICH sơ cấp. Điểm chuẩn để đo RSCP là đầu nối anten của MS Công suất mã tín hiệu thu TDD Công suất thu trên một mã được đo trên kênh CCPCH từ một cell TDD. Điểm chuẩn để đo là đầu nối anten của MS Công suất mã tín hiệu thu RSCP sau kết nối vô tuyến Công suất thu trên một mã được đo ở bit pilot của kênh DPCCH sau kết nối vô tuyến. Điểm chuẩn để đo RSCP là đầu nối anten của MS SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được định nghĩa là (RSCP/ISCP)x(SF/2), trong đó ISCP là công suất mã tín hiệu nhiễu, nhiễu của tín hiệu thu được đo tại bit pilot. Chỉ thành phần không trực giao của nhiễu mới được đo. SF là hệ số trải phổ SIR được đo trên kênh DPCCH sau kết nối vô tuyến. Điểm chuẩn để đo SIR là đầu nối anten của MS RSSI RSSI là chỉ thị độ dài tín hiệu thu. Phép đo này phải được thực hiện trên sóng mang đường xuống. Điểm chuẩn để đo RSSI là đầu nối anten của MS CPICH Eb/No Năng lượng thu trên một chip được chia bởi mật độ công suất trong băng. Nó khác với tỷ số RSCP/ISCP. Phép đo này phải được thực hiện trên kênh CPICH sơ cấp. Điểm chuẩn để đo Eb/No là đầu nối anten của MS Hệ số BLER (block error rate)kênh giao vận Tính toán hệ số BLER phải dựa vào sự đánh giá phần CRC của block. Hệ số này được dùng trong việc định tỷ số SIR mục tiêu khi điều khiển công suất nhanh vòng đóng Hệ số BER (bit rate error rate) kênh vật lý Việc đo hệ số BER của kênh vật lý là việc đo lỗi bit trung bình trước khi mã hoá kênh của kênh DPDCH Công suất phát MS Là công suất tổng cộng của MS trên một sóng mang. Điểm chuẩn để đo là đầu nối anten của MS Chuyển giao cùng một tần số (Intra-frequency Handover) Chuyển giao mềm: Khi ở trạng thái đang đàm thoại, liên tục đo mức tín hiệu của các trạm gốc lân cận và so sánh tín hiệu này với một tập hợp các mức ngưỡng và gửi kết quả so sánh lên trạm gốc hiện thời. Dựa trên thông tin này, trạm gốc ra lệnh cho MS thêm vào hoặc loại bỏ các trạm gốc khỏi tập tích cực (active set). Tập tích cực là tập hợp các trạm gốc cùng gửi dữ liệu đến MS. MS nhận các tín hiệu này và kết hợp chúng như kết hợp các tín hiệu đa đường. Trong quá trình dò tín hiệu, MS sẽ xác định được độ lệch khung (frame offset) của kênh CCPCH của các ứng cử viên chuyển giao so với giá trị của trạm gốc hiện thời. Khi cần thực hiện chuyển giao mềm, độ lệch khung cùng với độ lệch khung giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH sơ cấp của trạm trạm gốc hiện thời sẽ được sử dụng để tính toán giá trị bù khung yêu cầu giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH thứ cấp của trạm gốc sẽ nhận chuyển giao. Độ lệch khung này được chọn sao cho độ lệch khung giữa các kênh DPDCH/DPCCH của trạm gốc hiện thời và trạm gốc nhận chuyển giao tại đầu thu của MS là nhỏ nhất. Chú ý rằng độ lệch khung giữa kênh DPDCH/DPCCH và kênh CCPCH sơ cấp chỉ có thể được điều chỉnh theo từng bước của một symbol kênh DPDCH/DPCCH nhằm duy trì tính trực giao của đường xuống. Chuyển giao mềm hơn: Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao mềm giữa các sector trong cùng một trạm gốc. Chuyển giao mềm hơn về nguyên tắc cũng được thực hiện giống như chuyển giao mềm. Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa hai loại chuyển giao này là các tín hiệu, các sector thu được từ MS trong chuyển giao mềm hơn sẽ được kết hợp lại ở trạm gốc, còn tín hiệu các trạm gốc thu được từ MS trong chuyển giao mềm sẽ được kết hợp ở BSC. Chuyển giao mềm - mềm hơn: UE thông tin với hai sector của cùng một cell và một sector của cell khác. Chuyển giao cứng: có thể xuất hiện trong một số trường hợp như: chuyển giao giữa các cell có các tần số sóng mang khác nhau hoặc chuyển giao giữa các cell mà trạm gốc của cell đó được điều khiển bởi các RNC khác nhau và không có giao diện Iur tồn tại giữa các RNC. Chuyển giao giữa hai tần số Việc chuyển giao giữa hai tần số có thể thực hiện trong các trường hợp sau: Chuyển giao giữa các ô lân cận sử dụng các tần số khác nhau. Chuyển giao trong nội bộ các lớp của một ô xếp chồng sử dụng nhiều tần số. Chuyển giao giữa hai hệ thống/hai nhà khai thác sử dụng các tần số khác nhau, bao gồm cả chuyển giao sang hệ thống GSM. Chuyển giao giữa hai tần số có thể được thực hiện theo hai phương thức: Phương thức thu hai tần số (Dual - receiver): Đối với các MS có tính năng phân tập thu, có thể sử dụng tạm thời một nhánh thu để dò tìm tín hiệu ở các tần số khác phục vụ cho việc chuyển giao. Phương thức nén thời gian: Đối với các MS chỉ có một bộ thu, có thể sử dụng phương pháp này để dò tín hiệu ở các tần số khác phục vụ cho chuyển giao mà không làm ảnh hưởng đến dòng thông tin. Khi ở chế độ nén khe thời gian, lượng thông tin thông thường của một khung có độ dài 10 ms sẽ được nén lại về thời gian bằng cách bỏ bớt một số bit hoặc giảm hệ số trải phổ để giảm quãng thời gian truyền tin của khung xuống còn 5 ms. Khoảng thời gian tiết kiệm được sẽ được dùng để đo tín hiệu của các tần số khác. Tần số thực hiện nén khe thời gian là 10Hz, tức là 100 ms/khe thời gian nén. Đối với các dịch vụ chấp nhận độ trễ truyền tin lớn, có thể thực hiện nén nhiều khung lại với nhau để tạo ra một khe thời gian đo. Phương pháp này được sử dụng đối với các dịch vụ tốc độ cao, khó thực hiện việc giảm 1/2 tăng ích xử lý. Thiết lập cuộc gọi trong hệ thống WCDMA Thủ tục thiết lập một cuộc gọi trong hệ thống WCDMA được cho trong hình 2.37. Thủ tục này bắt đầu bằng yêu cầu thâm nhập từ UE. Yêu cầu thâm nhập này hoặc được phát trên kênh truyền tải RACH hoặc kênh truyền tải CPCH. Bản tin được phát là một yêu cầu để thiết lập một kết nối RRC trước khi thực hiện các giao dịch báo hiệu hay thiết lập vật mang. RNC trả lời bằng bản tin thiết lập kết nối RRC. Bản tin này được phát ở kênh logic CCCH. Nếu một kênh truyền tải DCH được cấp phát thì bản tin thiết lập kết nối RRC sẽ chỉ ra một mã ngẫu nhiên để UE sử dụng ở đường lên. UE tự xác định mã định kênh và mã này được thể hiện ở đường lên. UE trả lời RNC bằng bản tin hoàn thành thiết lập kết nối được gửi trên kênh logic DCCH đường lên. UE trả lời RNC bằng bản tin hoàn thành thiết lập kết nối được gửi trên kênh logic DCCH đường lên, vì khi này chưa có thiết lập quan hệ báo hiệu trực tiếp giữa UE và mạng lõi. Phần tải trọng của bản tin này được truyền trực tiếp giữa UE và mạng lõi. Bản tin này chỉ thị cho RNC và mạng lõi là cần thiết lập một quan hệ báo hiệu mới giữa UE và mạng lõi. RNC sắp xếp bản tin truyền trực tiếp khởi đầu RRC vào bản tin UE khởi đầu RANAP và gửi bản tin này đến mạng lõi. Trong trường hợp này bản tin được gửi đến MSC. Việc chọn MSC hay SGSN phụ thuộc vào thông tin mào đầu trong bản tin truyền khởi đầu từ UE. Phần bản tin của bản tin truyền trực tiếp khởi đầu được sắp xếp vào phần tải tin của bản tin UE khởi đầu của RANAP. Tiếp theo, MSC sẽ khởi đầu các thủ tục bảo vệ. Thủ tục này bắt đầu bằng nhận thực trên nguyên tắc hiệu lệnh - trả lời giống như ở GSM. Ở đây có một điểm khác là UE và mạng nhận thực lẫn nhau. Nghĩa là mạng không chỉ phát một số ngẫu nhiên đến UE để nhận được một trả lời đúng mà còn phát một thẻ bài nhận thực mạng (AUTN), thẻ bài này được tính toán độc lập tại USIM và HLR. AUTN này phải trùng với AUTN ở mạng. Yêu cầu nhận thực được phát đến UE trong bản tin truyền trực tiếp của RANAP và giao thức RRC. Nếu nhận thực thành công thì UE phát bản tin trả lời nhận thực để MSC kiểm tra. Bản tin này cũng được truyền đi nhờ các khả năng truyền trực tiếp của RANAP và RRC. Tiếp theo, mạng lõi sẽ kích hoạt các thủ tục mật mã và kiểm tra tính trung thực, các thủ tục này đều do mạng lõi khởi xướng nhưng được thực hiện giữa UE và UTRAN. Bởi vậy, MSC gửi bản tin lệnh chế độ bảo vệ RANAP đến UE. UE đáp lại RNC bằng bản tin RRC, hoàn thành chế độ bảo vệ, và RNC gửi đến MSC bản tin RANAP, hoàn thành chế độ bảo vệ. Tại thời điểm này, thông tin thiết lập cuộc gọi thực sự như: số thoại bị gọi được gửi ở bản tin thiết lập từ UE đến MSC thông qua báo hiệu truyền trực tiếp. Nếu lần thử cuộc gọi được bắt đầu thì MSC trả lời bằng bản tin đang tiến hành gọi. Tiếp theo, cần phải thiết lập một RAB để truyền tải luồng thoại thực tế từ người sử dụng. RAB là một vật mang giữa UE và mạng lõi để truyền tải số liệu của người sử dụng. Nó được sắp xếp thành một hoặc nhiều vật mang vô tuyến ở giao diện vô tuyến. Mỗi vật mang có một số nhận dạng riêng để sử dụng trong báo hiệu giữa UE và mạng lõi. Mạng lõi phát yêu cầu thiết lập RAB thông qua bản tin yêu cầu ấn định RAB của RANAP. Dựa vào thông tin trong bản tin ấn định RAB mà RNC có thể thiết lập một vật mang vô tuyến mới cho UE sử dụng hoặc sẽ cấu hình lại vật mang đang tồn tại. RNC sử dụng hoặc bản tin thiết lập vật mang vô tuyến hoặc cấu hình lại vật mang vô tuyến để hướng dẫn UE sử dụng các sóng mang mới hay lập lại cấu hình. UE trả lời bằng bản tin hoàn thành thiết lập vật mang vô tuyến hoặc bản tin hoàn thành cấu hình lại vật mang vô tuyến. Sau đó, RNC gửi đến MSC bản tin hoàn thành ấn định RAB. Khi này, tồn tại một đường vật mang từ UE đến MSC. Phần còn lại của thủ tục thiết lập cuộc gọi gần giống như trong GSM. Nó liên quan đến các bản tin báo chuông (Alerting), kết nối và khẳng định kết nối được truyền ở báo hiệu truyền trực tiếp. Cần phải chú ý rằng, dịch vụ tiếng vẫn là dịch vụ chuyển mạch kênh. Mặc dù thông tin thoại được đóng gói để truyền qua giao diện vô tuyến và vì nó cũng được đóng gói để truyền qua giao diện Iub và Iu nên cần thiết lập một vật mang riêng trong thời gian có cuộc gọi thậm chí cả khi phát không liên tục được tích cực và các gói thoại đang không được phát. Hình 2.37. Thủ tục thiết lập một cuộc gọi trong WCDMA Giải pháp chuyển giao giữa mạng 3G và 2G Để nhà khai thác cung cấp được vùng phủ sóng liên tục ở những khu vực không phủ sóng WCDMA, chẳng hạn những vùng nông thôn, chuyển giao giữa mạng WCDMA và GSM sẽ là một giải pháp mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến. Thêm nữa, trong trường hợp ở những vùng có cả mạng WCDMA và mạng GSM, ta có thể thực hiện chuyển giao giữa hai hệ thống này để cân bằng hoặc kiểm soát tải lưu lượng giữa các hệ thống. Ví dụ kết nối thoại được chuyển giao sang mạng GSM để cho phép các kết nối số liệu GSM/EDGE của chuyển mạch kênh CS được mạng WCDMA điều khiển. Tại các khu vực chồng lấn vùng phủ sóng GSM và WCDMA, việc chuyển giao cho phép cân bằng tải giữa hai hệ thống này, rất tốt cho việc chống nghẽn trên phần mạng GSM và trên phần mạng WCDMA. Việc quy hoạch vô tuyến như vậy sẽ đảm bảo: Tại các khu vực tập trung thuê bao và có nhu cầu sử dụng các ứng dụng số liệu cao thì WCDMA sẵn sàng đáp ứng. Vùng phủ GSM rộng sẽ đảm bảo tính liên tục về vùng phủ sóng, đảm bảo kết nối liên tục ngay cả khi máy đầu cuối di động với tốc độ cao. Hai lớp mạng GSM và WCDMA sẽ bổ trợ cho nhau về tải và dung lượng. Chuyển giao giữa hệ thống GSM và hệ thống WCDMA được chia thành hai phần sau: Chuyển giao trên kết nối chuyển mạch kênh. Chuyển giao trên kết nối chuyển mạch gói. Chuyển giao từ hệ thống GSM sang hệ thống WCDMA được khởi tạo từ mạng vô tuyến GSM và chuyển giao từ hệ thống WCDMA sang hệ thống GSM được khởi tạo từ mạng vô tuyến WCDMA (UTRAN). Chuyển giao trên kết nối chuyển mạch kênh (CS) Chuyển giao giữa GSM và 3G là chuyển giao cho thoại hoặc kết nối số liệu GSM trong chuyển mạch kênh (CS) giữa mạng GSM và 3G. Nếu kết nối chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) cùng đồng thời tồn tại ở một thiết bị đầu cuối UE thì các tiêu chuẩn chuyển giao của kết nối chuyển mạch kênh CS luôn luôn có quyền ưu tiên hơn những tiêu chuẩn lựa chọn lại cell 3G của kết nối chuyển mạch gói PS. Ưu điểm Loại chuyển giao này có những ưu điểm sau đây: Mở rộng vùng phủ sóng liên tục cho mạng 3G bằng mạng GSM sẵn có. Mở rộng dung lượng cho mạng GSM bằng việc chia tải giữa mạng 3G và mạng GSM. Cung cấp các dịch vụ 3G cho các máy đầu cuối 2 chế độ (GSM và 3G). Chuyển giao từ mạng WCDMA sang GSM Loại chuyển giao này được thực hiện hoặc là do mất vùng phủ sóng WCDMA hoặc là vì mục đích cân bằng tải và lưu lượng. Hình 2.38 thể hiện chuỗi bản tin khi thực hiện chuyển giao từ mạng WCDMA sang mạng GSM. Khi máy đầu cuối đang sử dụng dịch vụ chuyển mạch kênh và cường độ tín