Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS

là nơi kết nối giữa USIM và UE  Giao diện Uu. Giao diện Uu là giao diện vơ tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao diện mà qua đĩ UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.  Giao diện Iu. Giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nĩ gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gĩi, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN cĩ thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhƣng một UTRAN chỉ cĩ thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.  Giao diện Iur. Đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu đƣợc thiết kế để Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 23 đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhƣng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới đƣợc bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau: 1. Di động giữa các RNC 2. Lƣu thơng kênh riêng 3. Lƣu thơng kênh chung 4. Quản lý tài nguyên tồn cục  Giao diện Iub. Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở. 1.7. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R4 Hình 1.10 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G UMTS R4. Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc cĩ các MSC chuyển mạch kênh truyền thống nhƣ ở kiến trúc trƣớc, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm đƣợc đƣa vào. Về căn bản, MSC đƣợc chia thành MSC server và cổng các phƣơng tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động cĩ ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nĩ khơng chứa ma trận chuyển mạch.Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW đƣợc MSC Server điều khiển và cĩ thể đặt xa MSC Server. Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh đƣợc thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đƣờng truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh đƣợc thực hiện giữa RNC và MGW. Thơng thƣờng MGW nhận các Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 24 cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đƣờng trục gĩi. Trong nhiều trƣờng hợp đƣờng trục gĩi sử dụng Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên Giao thức Internet (IP). Từ hình 1.10 ta thấy lƣu lƣợng số liệu gĩi từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đƣờng trục IP. Cả số liệu và tiếng đều cĩ thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hồn tồn IP. Tại nơi mà một cuộc gọi cần chuyển đến một mạng khác, PSTN chẳng hạn, sẽ cĩ một cổng các phƣơng tiện khác (MGW) đƣợc điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại đƣợc đĩng gĩi thành PCM tiêu chuẩn để đƣa đến PSTN. Nhƣ vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này. Để thí dụ, ta giả thiết rằng nếu tiếng ở giao diện vơ tuyến đƣợc truyền tại tốc độ 12,2 kbps, thì tốc độ này chỉ phải chuyển vào 64 kbps ở MGW giao tiếp với PSTN. Truyền tải kiểu này cho phép tiết kiệm đáng kể độ rộng băng tần nhất là khi các MGW cách xa nhau. Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248. Giao thức này đƣợc ITU và IETF cộng tác phát triển. Nĩ cĩ tên là điều khiển cổng các phƣơng tiện (MEGACO: Media Gateway Control). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server cĩ thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kỳ. 3GPP đề nghị sử dụng (khơng bắt buộc) giao thức Điều khiển cuộc gọi độc lập vật mang (BICC: Bearer Independent Call Control) đƣợc xây dựng trên cơ sở khuyến nghị Q.1902 của ITU. Trong nhiều trƣờng hợp MSC Server hỗ trợ cả các chức năng của GMSC Server. Ngồi ra MGW cĩ khả năng giao diện với cả RAN và PSTN. Khi này cuộc gọi đến hoặc từ PSTN cĩ thể chuyển nội hạt, nhờ vậy cĩ thể tiết kiệm đáng kể đầu tƣ. Để làm thí dụ ta xét trƣờng hợp khi một RNC đƣợc đặt tại thành phố A và đƣợc điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Giả sử thuê bao thành phố A thực hiện cuộc gọi nội hạt. Nếu khơng cĩ cấu trúc phân bố, cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B (nơi cĩ MSC) để đấu nối với thuê bao PSTN tại chính thành phố A. Với cấu trúc phân bố, cuộc gọi cĩ thể đƣợc điều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhƣng đƣờng truyền các phƣơng tiện thực tế cĩ thể vẫn ở thành phố A, nhờ vậy giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác mạng. Từ hình 1.10 ta cũng thấy rằng HLR cũng cĩ thể đƣợc gọi là Server thuê bao tại nhà (HSS: Home Subscriber Server). HSS và HLR cĩ chức năng tƣơng đƣơng, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gĩi (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Ngồi ra cịn cĩ các giao diện (khơng cĩ trên hình vẽ) giữa SGSN với HLR/HSS và giữa GGSN với HLR/HSS. Rất nhiều giao thức đƣợc sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gĩi sử dụng hoặc IP hoặc ATM. Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 25 truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phƣơng tiện. Ngồi ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này đƣợc thực hiện thơng qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nĩ hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đƣờng truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nĩ truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gĩi (IP chẳng hạn). Các thực thể nhƣ MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải đƣợc thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này đƣợc gọi là Sigtran. 1.8. KIẾN TRÚC 3G WCDMA UMTS R5 và R6 Bƣớc phát triển tiếp theo của UMTS là đƣa ra kiến trúc mạng đa phƣơng tiện IP (hình 1.11). Bƣớc phát triển này thể hiện sự thay đổi tồn bộ mơ hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu đƣợc xử lý giống nhau trên tồn bộ đƣờng truyền từ đầu cuối của ngƣời sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Cĩ thể coi kiến trúc này là sự hội tụ tồn diện của tiếng và số liệu. Điểm mới của R5 và R6 là nĩ đƣa ra một miền mới đƣợc gọi là phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 26 miền mạng IP đƣợc thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phƣơng tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.11 ta thấy tiếng và số liệu khơng cần các giao diện cách biệt; chỉ cĩ một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phƣơng tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và khơng cĩ MGW riêng. Phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway). Một nét quan trọng của kiến trúc tồn IP là thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc tăng cƣờng rất nhiều. Nhiều phần mềm đƣợc cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của ngƣời sử dụng SIP. Nhƣ vậy, UE cĩ khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trƣớc rất nhiều. CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phĩng các phiên đa phƣơng tiện đến và từ ngƣời sử dụng. Nĩ bao gồm các chức năng nhƣ: phiên dịch và định tuyến. CSCF hoạt động nhƣ một đại diện Server /hộ tịch viên. SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cƣờng của các nút đƣợc sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này khơng chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gĩi mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lƣợng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng. Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi đƣợc sử dụng để hỗ trợ các tính năng nhƣ tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị . Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tƣơng tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngồi nhƣ PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tƣơng tác báo hiệu với các mạng di động hiện cĩ sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trƣờng hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng. MGW thực hiện tƣơng tác với các mạng ngồi ở mức đƣờng truyền đa phƣơng tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 cĩ chức năng giống nhƣ ở R4. MGW đƣợc điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248. MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức đƣợc chọn cho giao diện này là SIP. Tuy nhiên cĩ thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nĩ kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại cĩ thể vẫn sử Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 27 dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video cĩ thể đƣợc thực hiện qua R5 IMS. Cấu hình lai ghép đƣợc thể hiện trên hình 1.12 1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS Trong phần này ta sẽ xét chiến lƣợc dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel. Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3. Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới đƣợc đƣa ra. 1.9.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRAFDD và sẽ đƣợc triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lƣợc dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 đƣợc chia thành ba giai đoạn đƣợc ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R:Release: phát hành). Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới đƣợc đƣa ra. Các nút B đƣợc gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc đa tiêu chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy. Tƣơng tự RNC V2 và OMC-R V2 đƣợc đƣa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM. Hình 1.13 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS đƣợc phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1). Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 28 Điểm mới của R5 và R6 là nĩ đƣa ra một miền mới đƣợc gọi là phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP đƣợc thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phƣơng tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.11 ta thấy tiếng và số liệu khơng cần các giao diện cách biệt; chỉ cĩ một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phƣơng tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và khơng cĩ MGW riêng. Phân hệ đa phƣơng tiện IP (IMS) chứa các phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway). Một nét quan trọng của kiến trúc tồn IP là thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc tăng cƣờng rất nhiều. Nhiều phần mềm đƣợc cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của ngƣời sử dụng SIP. Nhƣ vậy, UE cĩ khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trƣớc rất nhiều. CSCF quản lý việc thiết lập , duy trì và giải phĩng các phiên đa Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 29 phƣơng tiện đến và từ ngƣời sử dụng. Nĩ bao gồm các chức năng nhƣ: phiên dịch và định tuyến. CSCF hoạt động nhƣ một đại diện Server /hộ tịch viên. SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cƣờng của các nút đƣợc sử dụng ở GPRS và UMTS R3 và R4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này khơng chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gĩi mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lƣợng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các Router kết nối trực tiếp với chúng. Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghi đƣợc sử dụng để hỗ trợ các tính năng nhƣ tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị . Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tƣơng tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngồi nhƣ PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW) là một nút đảm bảo tƣơng tác báo hiệu với các mạng di động hiện cĩ sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trƣờng hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng. MGW thực hiện tƣơng tác với các mạng ngồi ở mức đƣờng truyền đa phƣơng tiện. MGW ở kiến trúc mạng của UMTS R5 cĩ chức năng giống nhƣ ở R4. MGW đƣợc điều khiển bởi Chức năng cổng điều khiển các phương tiện (MGCF). Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248. MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức đƣợc chọn cho giao diện này là SIP. Tuy nhiên cĩ thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nĩ kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại cĩ thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video cĩ thể đƣợc thực hiện qua R5 IMS. Cấu hình lai ghép đƣợc thể hiện trên hình 1.12. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 30 1.9. CHIẾN LƯỢC DỊCH CHUYỂN TỪ GSM SANG UMTS Trong phần này ta sẽ xét chiến lƣợc dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel. Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3. Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới đƣợc đƣa ra. 1.9.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA FDD và sẽ đƣợc triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lƣợc dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 đƣợc chia thành ba giai đoạn đƣợc ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R: Release: phát hành). Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới đƣợc đƣa ra. Các nút B đƣợc gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc đa tiêu chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy. Tƣơng tự RNC V2 và OMC-R V2 đƣợc đƣa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM. Hình 1.13 cho thấy kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS đƣợc phát triển trong giai đoạn triển khai UMTS ban đầu (3GR1.1). Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 31 1.9.2. 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ đƣợc thực hiện bằng cách đƣa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn nhƣ: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dƣỡng mạng vơ tuyến cũng cĩ thể đƣợc thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2). Hình 1.14 mơ tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 32 1.9.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát hành này đƣợc xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều đƣợc hỗ trợ. Giao thức truyền tải đƣợc thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngồi ra cĩ thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ đƣợc hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 đƣợc thể hiện trên hình 1.15 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 33 1.10. CẤU HÌNH ĐỊA LÝ CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 3G Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải đƣợc tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng cĩ thể theo dõi đƣợc vị trí của thuê bao. 1.10.1. Phân chia theo vùng mạng Trong một quốc gia cĩ thể cĩ nhiều vùng mạng viễn thơng, việc gọi vào một vùng mạng nào đĩ phải đƣợc thực hiện thơng qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động 3G đƣợc đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều đƣợc định tuyến đến GMSC hoặc GGSN. Tổng đài này làm việc nhƣ một tổng đài trung kế vào cho mạng 3G. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngồi đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi. 1.10.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN Một mạng thơng tin di động đƣợc phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này đƣợc phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 1.16a). hay SGSN (1.16b) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 34 Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, Đƣờng truyền qua mạng sẽ đƣợc nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. Ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thơng tin về thuê bao đƣợc ghi lại tạm thời ở VLR. Thơng tin này bao gồm hai loại:  Thơng tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao.  Thơng tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị hoặc vùng định tuyến nào). 1.10.3. Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR đƣợc chia thành một số vùng định vị: LA (Location Area) (hình 1.17a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN đƣợc chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area) (1.17b). Vùng định vị (hay vùng định tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR (hay SGSN) mà ở đĩ một trạm di động cĩ thể chuyển động tự do và khơng cần cập nhật thơng tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này. Cĩ thể nĩi vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 35 cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nĩ. Ở vùng định vị này thơng báo tìm sẽ đƣợc phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ thống cĩ thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity) hay nhận dạng vùng định tuyến (RAI Routing Area Identity). Vùng định vị (hay vùng định tuyến) cĩ thể bao gồm một số ơ và thuộc một hay nhiều RNC, nhƣng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN). 1.10.4. Phân chia theo ơ Vùng định vị hay vùng định tuyến đƣợc chia thành một số ơ (hình 1.18). Ơ là một vùng phủ vơ tuyến đƣợc mạng nhận dạng bằng nhận dạng ơ tồn cầu (CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ơ bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ơ thƣờng đƣợc mơ phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính tốn thiết kế. 1.10.5. Mẫu ơ Mẫu ơ cĩ hai kiểu: vơ hƣớng ngang (omnidirectional) và phân đoạn(sectorized). Các mẫu này đƣợc cho trên hình 1.19. Ơ vơ hƣớng ngang (hình 1.19a) nhận đƣợc từ phát xạ của một anten Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 36 cĩ búp sĩng trịn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt đất) và búp sĩng cĩ hƣớng chúc xuống mặt đất trong mặt đứng (mặt phẳng vuơng gĩc với mặt đất). Ơ phân đoạn (hình 1.19b) là ơ nhận đƣợc từ phát xạ của ba anten với hƣớng phát xạ cực đại lệch nhau 1200. Các anten này cĩ búp sĩng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt đứng búp sĩng của chúng chúc xuống mặt đất. Trong một số trƣờng hợp ơ phân đoạn cĩ thể đƣợc tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten. Trong thực tế mẫu ơ cĩ thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sĩng. Tuy nhiên các mẫu ơ nhƣ trên hình 1.19 thƣờng đƣợc sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ sĩng chuẩn. 1.10.6. Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thơng tin di động 3G Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miền chuyển mạch gĩi, vùng phục mạng khơng chỉ đƣợc phân chia thành các vùng định vị (LA) mà cịn đƣợc phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area). Các vùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động của miền CS kế thừa từ mạng GSM. Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các thực thể của miền PS. Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi. Nhận dạng thuê bao P-TMSI (Packet- Temporary Mobile Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động gĩi tạm thời) là duy nhất trong một RA. Trong mạng truy nhập vơ tuyến, RA lại đƣợc chia tiếp thành các vùng đăng ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xƣớng UTRAN sử dụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã đƣợc thiết lập. URA khơng thể nhìn thấy đƣợc ở bên ngồi UTRAN. Quan hệ giữa các vùng đƣợc phân cấp nhƣ cho ở hình 1.20 (ơ khơng đƣợc thể hiện). LA thuộc 3G MSC và RA thuộc 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo dõi vị trí theo URA và ơ trong UTRAN đƣợc thực hiện khi cĩ kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vơ tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối. Nếu khơng cĩ kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thơng tin vị trí đƣợc thực hiện theo RA. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 37 1.11. TỔNG KẾT Chƣơng này trƣớc hết xét tổng quan quá trình phát triển thơng tin di động lên 4G. Nếu cơng nghệ đa truy nhập cho 3G là CDMA thì cơng nghệ đa truy nhập cho 4G là OFDMA. Sau đĩ kiến trúc mạng 3G đƣợc xét. Mạng lõi 3G bao gồm hai vùng chuyển mạch: (1) vùng chuyển mạch các dịch vụ CS và (2) vùng chuyển mạch các dịch vụ PS. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS đƣợc xét: R3, R4, R5 và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gĩi trong đĩ kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển của R3 trong đĩ miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ đa phƣơng tiện IP hồn tồn dựa trên chuyển mạch gĩi. Để đáp ứng đƣợc nhiệm vụ này ngồi miền chuyển mạch gĩi, mạng đƣợc bổ sung thêm phân hệ đa phƣơng tiên IP (IMS). Cốt lõi của IMS là CSCF thực hiện khởi đầu kết nối đa phƣơng tiện IP dựa trên giao thức khởi đầu phiên (SIP Session Initiation Protocol). Ngồi ra IMS vẫn cịn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF). Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 (hình 1.12). Cuối chƣơng trình bày cấu trúc địa lý của một mạng thơng tin di đơng 3G cĩ chứa cả vùng chuyển mạch kênh và vùng chuyển mạch gĩi. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 38 CHƯƠNG 2 CƠNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP CỦA WCDMA 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 2.1.1. Mục đích chương  Hiểu tổng quan trải phổ và phƣơng pháp đa truy nhập của WCDMA  Hiểu điều khiển cơng suất, chuyển giao mềm và máy thu phân tập đa đƣờng (RAKE)  Hiểu các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chế của WCDMA 2.1.2. Các chủ đề được trình bày trong chương  Nguyên lý trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã  Điều khiển cơng suất  Chuyển giao  Máy thu phân tập đa đƣờng (máy thu RAKE)  Các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng cho WCDMA 2.2 TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ: 2.2.1. Các hệ thống thơng tin trải phổ Trong các hệ thống thơng tin thơng thƣờng độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đƣợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tƣơng tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này cĩ thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết cĩ cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trƣờng hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...). Trong các hệ thống thơng tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu đƣợc mở rộng, thơng thƣờng hàng trăm lần trƣớc khi đƣợc phát. Khi chỉ cĩ một ngƣời sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần nhƣ vậy khơng cĩ hiệu quả. Tuy nhiên ở mơi trƣờng nhiều ngƣời sử dụng, các ngƣời sử dụng này cĩ thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần cĩ hiệu suất mà vẫn duy trì đƣợc các ƣu điểm của trải phổ. Một hệ thống thơng tin số đƣợc coi là SS nếu: * Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thơng tin. * Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Cĩ ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct- Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhảy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 39 Spectrum). Cũng cĩ thể nhận đƣợc các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nĩi trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ cĩ tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 2.1 minh họa quá trình trải phổ trong đĩ Tb=15Tc hay Rc=15Rb. Hình 2.1a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đĩ luồng số cần truyền x cĩ tốc độ Rb đƣợc nhân với một mã trải phổ cĩ tốc độ Rc để đƣợc luồng đầu ra y cĩ tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào. Các hình 2.1b và 2.1b biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số. Tại phía thu luồng y đƣợc thực hiện giải trải phổ để khơi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống nhƣ phía phá phát: x=yc Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 40 2.2.2 ÁP DỤNG DSSS CHO CDMA Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 41 Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 42 Thành phần thứ nhất trong (2.2) chính là tín hiệu hữu ích cịn thành phần thứ hai là nhiễu của các ngƣời sử dụng cịn là nhiễu của các ngƣời sử dụng khác đƣợc gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa ngƣời sử dụng). Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tƣơng quan trọng miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 2.2 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA cĩ K ngƣời sử dụng với giả thiết cơng suất phát từ K máy phát nhƣ nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 2.2a cho thấy sơ đồ giải trải phổ DSSS. Hình 2.2b cho thấy phổ của tín hiệu tổng đƣợc phát đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 2.2c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k và hình 2.2d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thơng thấp với băng thơng băng Rb. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 43 Từ hình 2.2 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật đƣợc tơ đậm trên hình 2.2.b và tổng diện tích các hình chữ nhật trắng trên hình 2.2.c: SIR=S1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ số Rc/Rb. vì thế tỷ số Rc/Rb đƣợc gọi là độ lợi xử lý (TA: Processing Gain). 2.3. ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT Trong trƣờng hợp một máy phát gây nhiễu đến gần máy thu k (đến gần nút B chẳng hạn), cơng suất của máy phát này tăng cao dẫn đến MAI tăng cao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm mạnh và máy thu k khơng thể tách ra đƣợc tín hiệu của mình. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng gần và xa. Để tránh hiện tƣợng này hệ thống phải điều khiển cơng suất sao cho cơng suất thu tại nút B của tất cả các UE đều bằng nhau (lý tƣởng). Điều khiển cơng suất trong WCDMA đƣợc chia thành:  Điều khiển cơng suất vịng hở  Điều khiển cơng suất vịng kín Điều khiển cơng suất vịng hở đƣợc thực hiện tự động tại UE khi nĩ thực hiện thủ tục xin truy nhập Nút B (dựa trên cơng suất mà nĩ thu đƣợc từ kênh hoa tiêu phát đi từ B), khi này UE chƣa cĩ kết nối với nút này. Cịn điều khiển cơng suất vịng kín đƣợc thực hiện khi UE đã kết nối với nút B. Điều khiển cơng suất vịng hở lại đƣợc chia thành:  Điều khiển cơng suất vịng trong đƣợc thực hiện tại nút B. Điều Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 44 khiển cơng suất vịng trong đƣợc thực hiện nhanh với 1500 lần trong một giây dựa trên so sánh SIR thu với SIR đích  Điều khiển cơng suất vịng ngồi đƣợc thực hiện tại RNC để thiết lập SIR đích cho nút B. Điều khiển cơng suất này dựa trên so sánh tỷ lệ lỗi khối (BLER) thu đƣợc với tỷ lệ đích. 2.4. CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA Thơng thƣờng chuyển giao (HO: Handover) đƣợc hiểu là quá trình trong đĩ kênh lƣu lƣợng của một UE đƣợc chuyển sang một kênh khác để đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn. Tuy nhiên trong CDMA khái niệm này chỉ thích hợp cho chuyển giao cứng cịn đối với chuyển giao mềm khái niệm này phức tạp hơn, ta sẽ xét cụ thể trong phần dƣới đây. Cĩ thể chia HO thành các kiểu HO sau:  HO nội hệ thống xảy ra bên trong một hệ thống WCDMA. Cĩ thể chia nhỏ HO này thành o HO nội hệ thống giữa các ơ thuộc cùng mơt tần số sĩng mang WCDMA o HO giữa các tần số (IF-HO) giữa các ơ hoạt động trên các tần số WCDMA khác nhau  HO giữa các hệ thống (IS-HO) giữa các ơ thuộc hai cơng nghệ truy nhập vơ tuyến (RAT) khác nhau hay các chế độ truy nhập vơ tuyến (RAM) khác nhau.Trƣờng hợp thƣờng xuyên xảy ra nhất đối với kiểu thứ nhất là HO giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE. Tuy nhiên cũng cĩ thể là IS-HO giữa WCDMA và hệ thống các hệ thống CDMA khác (cdma2000 1x chẳng hạn). Thí dụ về HO giữa các RAM là HO giữa các chế độ UTRA FDD và UTRA TDD. Cĩ thể cĩ các thủ tục HO sau:  Chuyển giao cứng (HHO) là các thủ tục HO trong đĩ tất cả các đƣờng truyền vơ tuyến cũ của một UE đƣợc giải phĩng trƣớc khi thiết lập các đƣờng truyền vơ tuyến mới  Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (xem hình 2.3) là các thủ tục trong đĩ UE luơn duy trì ít nhất một đƣờng vơ tuyến nối đến UTRAN.Trong chuyển giao mềm UE đồng thời đƣợc nối đến một hay nhiều ơ thuộc các nút B khác nhau của cùng một RNC (SHO nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (SHO giữa các RNC). Trong chuyển giao mềm hơn UE đƣợc nối đến ít nhất là hai đoạn ơ của cùng một nút B. SHO và HO mềm hơn chỉ cĩ thể xảy ra trên cùng một tần số sĩng mang và trong cùng một hệ thống. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 45 Phụ thuộc sự tham gia trong SHO, các ơ trong một hệ thống WCDMA đƣợc chia thành các tập sau đây:  Tập tích cực bao gồm các ơ (đoạn ơ) hiện đang tham gia vào một kết nối SHO của UE  Tập lân cận/ tập được giám sát (cả hai từ đƣợc sử dụng nhƣ nhau). Tập này bao gồm tất cả các ơ đƣợc giám sát/đo liên tục bởi UE và hiện thời khơng cĩ trong tập tích cực  Tập được phát hiện. Tập này bao gồm các ơ đƣợc UE phát hiện nhƣng khơng thuộc tập tích cực lẫn tập lân cận. SHO là một tính năng chung của hệ thống WCDMA trong đĩ các ơ lân cận họat động trên cùng một tần số. Trong chế độ kết nối, UE liên tục đo các ơ phục vụ và các ơ lân cận (do RNC chỉ dẫn) trên tần số sĩng mang hiện thời. UE so sánh các kết quả đo với các ngƣỡng HO do RNC cung cấp và gửi báo cáo kết quả đo đến RNC khi thực hiện các tiêu chuẩn báo cáo. Vì thế SHO là kiểu chuyển giao đƣợc đánh giá bởi đầu cuối di động (MEHO: Mobile Estimated HO). Tuy nhiên giải thuật quyết định SHO đƣợc đặt trong RNC. Dựa trên các báo cáo kết quả đo nhận đƣợc từ UE (hoặc định kỳ hoặc đƣợc khởi động bởi một số các sự kiện nhất định), RNC lệnh cho UE bổ sung hay loại bỏ một số ơ khỏi tập tích cực của mình (ASU: Active Set Update: cập nhật tập tích cực). Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 46 2.5. MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG HAY MÁY THU RAKE Fading đa đƣờng trên kênh vơ tuyến dẫn đến tán thời và chọn lọc tần số làm hỏng tín hiệu thu. Để Đánh giá hiện tƣợng tán thời trên đƣờng truyền vơ tuyến, ngƣời ta phát đi một xung hẹp (xung kim) và đo đáp ứng xung này tại phía thu. Đáp ứng này là bức tranh thể hiện sự phụ thuộc cơng suất của các đƣờng truyền khác nhau đến máy thu vào thời gian trễ của các đƣờng truyền này. Đáp ứng này đƣợc gọi là lý lịch trễ cơng suất. Hình 2.4a cho thấy truyền sĩng đa đƣờng và hình 2.4b cho thấy thí dụ về lý lịch trễ cơng suất. Chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên đƣợc phát đi ở CDMA cĩ thuộc tính là các phiên bản dịch thời của nĩ tại phía thu hầu nhƣ khơng tƣơng quan. Nhƣ vậy một tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều đƣờng khác nhau (thời gian trễ khác nhau) cĩ thể đƣợc phân giải vào các tín hiệu fading khác nhau bằng cách lấy tƣơng quan tín hiệu thu chứa nhiều phiên bản dịch thời của chuỗi giả ngẫu nhiên. Máy thu sử dụng nguyên lý này đƣợc gọi là máy thu phân tập đa đƣờng hay máy thu RAKE (hình 2.5). Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 47 Trong máy thu RAKE để nhận đƣợc các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đƣờng trễ trƣớc khi đƣợc lấy tƣơng quan và đƣợc kết hợp. Đƣờng trễ bao gồm nhiều mắt trễ cĩ thời gian trễ bằng thời gian một chip Tc. Máy thu dịch định thời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thơng tin để giải trải phổ ký hiệu trong vùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch trễ cơng suất (xem hình 2.5a). Với tham khảo lý lịch trễ cơng suất (bức tranh thể hiện cơng suất và trễ của các đƣờng truyền) đƣợc tạo ra, máy thu chọn các đƣờng truyền cĩ cơng suất vƣợt ngƣỡng để kết hợp RAKE trên cơ sở số lƣợng bộ tƣơng quan, bộ ƣớc tính kênh và bộ bù trừ thay đổi pha (đƣợc gọi là các ngĩn máy thu RAKE). Trong trƣờng hợp áp dụng thu phân tập khơng gian hay phân tập giữa các đoạn ơ, lý lịch trễ cơng suất đƣợc tạo ra cho mỗi nhánh và các đƣờng truyền đƣợc chọn từ lý lịch trễ cơng suất suất tổng hợp của tất cả các nhánh. Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ gồm nhiễu của các ngƣời sử dụng khác và các tín hiệu đa đƣờng của kênh ngƣời sử dụng, nên giá trị ngƣỡng đƣợc lập dƣạ trên mức cơng suất tạp âm nền và các đƣờng truyền cĩ SIR hiệu dụng (cĩ cơng suất thu vƣợt ngƣỡng) đƣợc chọn. Vì MS chuyển động (hoặc mơi trƣờng truyền sĩng thay đổi khi MS cố định), nên vị trí đƣờng truyền (thời gian trễ) đƣợc kết hợp RAKE cũng sẽ thƣờng xuyên thay đổi, máy phải định kỳ cập nhật lý lịch trễ đƣờng truyền và cập Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 48 nhật các đƣờng truyền đƣợc kết hợp RAKE trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này đƣợc gọi là tìm kiếm đƣờng truyền vì nĩ liên quan đến tìm kiếm đƣờng truyền để kết hợp RAKE). 2.6. CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA Khái niệm trải phổ đƣợc áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác. Đầu tiên là thao tác định kênh, trong đĩ mỗi ký hiệu số liệu dƣợc chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu. Số chip trên một ký hiệu (hay tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu) đƣợc gọi là hệ số trải phổ (SF: Spectrum Factor), hay nĩi một cách khác SF=Rs/Rc trong đĩ Rs là tốc độ ký hiệu cịn Rc là tốc đơ chip. Hệ số trải phổ là một giá trị khả biến, ngoại trừ đối với kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý tốc độ cao (HS-PDSCH ) trong HSDPA cĩ SF=16. Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hĩa để tăng tính trực giao trong đĩ một mã ngẫu nhiên hĩa đƣợc ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ. Mã ngẫu nhiên hố đƣợc xây dựng trên cơ sở mã Gold. Trong quá trình định kênh, các ký hiệu số liệu đƣợc nhân với một mã OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor: mã trực giao hệ số khả biến) đồng bộ về thời gian với biên của ký hiệu. Trong 3GPP, OVSF (hình 2.6) đƣợc sử dụng cho các tốc độ ký hiệu khác nhau và đƣợc ký hiệu là Cch,SF,k trong đĩ SF là hệ số trải phổ của mã và k là số thứ tự mã (0kSF-1). Các mã định kênh cĩ các tính chất trực giao và đƣợc sử dụng để phân biệt các thơng tin đƣợc phát đi cùng từ một nguồn: (1) các kết nối khác nhau trên đƣờng xuống trong cùng một ơ trên đƣờng xuống và giảm nhiễu nội ơ, (2) các kênh số liệu vật lý đƣờng lên từ một UE. Trên đƣờng xuống các mã OVSF trong một ơ bị hạn chế vì thế cần đƣợc quản lý bởi RNC, tuy nhiên điều này khơng xảy ra đối với đƣờng lên. Cần lƣu ý khi chọn mã định kênh để chúng khơng tƣơng quan với nhau. Chẳng hạn khi đã chọn mã Cch,8,4=+1-1+1-1+1-1+1-1, khơng đƣợc sử dụng mã Cch,16,8=+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; vì hai mã này hồn tồn giống nhau (tích của chúng bằng 1) và chúng sẽ gây nhiễu cho nhau. Các mã OVSF chỉ hiệu quả khi các kênh đƣợc đồng bộ hồn hảo tại mức ký hiệu. Mất tƣơng quan chéo do truyền sĩng đa đƣờng đƣợc bù trừ bởi thao tác ngẫu nhiên hĩa bổ sung. Với thao tác ngẫu nhiên hĩa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của tín hiệu trải phổ đƣợc nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hĩa phức. Mã ngẫu nhiên hĩa phức đƣợc sử dụng để phân biệt các nguồn phát: (1) các ơ khác nhau đối với đƣờng xuống và (2) các UE khác nhau đối với đƣờng lên. Các mã này cĩ các tính chất tƣơng quan tốt (trung bình hĩa nhiễu) và luơn đƣợc sử dụng để ‘trộn’ với các mã trải phổ nhƣng khơng làm ảnh hƣởng độ rộng phổ tín hiệu và băng thơng truyền dẫn. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 49 Đƣờng truyền giữa nút B và UE trong WCDMA chứa nhiều kênh. Cĩ thể chia các kênh này thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lƣu lƣợng và (2) kênh chung mang các thơng tin điều khiển và báo hiệu. Đƣờng truyền từ UE đến nút B đƣợc gọi là đƣờng lên, cịn đƣờng ngƣợc lại từ nút B đến UE đƣợc gọi là đƣờng xuống. Trƣớc hết ta xét trải phổ cho các kênh đƣờng lên. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 50 2.7. TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ ĐƯỜNG LÊN 2.7.1. Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số liệu vật lý riêng, kênh để truyền lƣu lƣợng của ngƣời sử dụng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh đi cùng với DPDCH để mang thơng tin điều khiển lớp vật lý) đƣợc minh họa trên hình 2.7. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 51 Các nghiên cứu cho thấy mọi sự phát khơng liên tục trên đƣờng lên cĩ thể gây nhiễu âm thanh cho thiết bị âm thanh đặt gần máy đầu cuối di động. Thí dụ điển hình là trƣờng hợp nhiễu tần số khung (217 Hz=1/4,615ms) gây ra do các đầu cuối GSM. Để tránh hiệu ứng này, kênh DPCCH và các kênh DPDCH khơng đƣợc ghép theo thời gian mà đƣợc ghép theo mã I/Q (điều chế QPSK hai kênh) với ngẫu nhiên hố phức. Minh họa trên hình 2.8 cho thấy sơ đồ điều chế này cho phép truyền dẫn liên tục ngay cả trong các chu kỳ im lặng khi chỉ cĩ thơng tin điều khiển lớp 1 để duy trì hoạt động đƣờng truyền (DPCCH) là đƣợc phát. Nhƣ minh họa trên hình 2.9, các mã ngẫu nhiên hĩa phức đƣợc tạo ra bằng cách quay pha giữa các chip trong một chu kỳ ký hiệu trong giới hạn 900. Bằng cách này hiệu suất của bộ khuếch đại (liên quan đến tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình) trong UE hầu nhƣ khơng đổi khơng phụ thụ thuộc vào tỷ số  giữa DPDCH và DPCCH. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 52 DPCCH và các DPDCH cĩ thể đƣợc ngẫu nhiên hĩa bằng các mã ngẫu nhiên dài hoặc ngắn. Cĩ 224 mã ngẫu nhiên hĩa dài đƣờng lên và 224 mã ngẫu nhiên ngắn đƣờng lên. Vì cĩ thể sử dụng đƣợc hàng triệu mã nên khơng cần quy hoạch mã đƣờng lên. Số mã ngẫu nhiên cho DPCH (0,…., 16777215), cùng với SF thấp nhất đƣợc phép của mã định kênh (4, 8, 16, 32, 128 và 256) cho phần số liệu đƣợc ấn định bởi các lớp cao hơn, chẳng hạn khi thiết lập kết nối RRC hoặc khi điều khiển chuyển giao. 2.8. TỔNG KẾT Các hệ thống CDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao cho phép nhiềuđầu cuối di động cĩ thể dùng chung một tần số. Khi này tính trực giao của các mã và trải phổ cho phép một máy thu đầu cuối cĩ thể dễ dàng tách ra đƣợc tín hiệu của mình. Do sử dụng chung một tần số nên cĩ thể áp dụng chuyển giao mềm cho CDMA. Trong chuyển giao mềm một máy di động cĩ thể kết nối đến nhiều trạm gốc trên cùng một tần số nhƣng với mã trải phổ khác nhau. Ƣu điểm của chuyển giao mềm là khơng làm mất cuộc gọi trong quá trình chuyển giao mặc dù nĩ làm giảm phần nào dụng lƣợng ơ và tăng thêm tính phức tạp hệ thống. Nhƣng cũng vì sử dụng chung một tần số nên cĩ thể xảy ra hiện tƣợng gần xa, trong đĩ máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các ngƣời sử dụng khác. Để khắc phục nhƣợc điểm này phải áp dụng điều khiển cơng suất nhanh cho CDMA trong đĩ máy di động gần trạm gốc sẽ đƣợc điều chỉnh phát cơng suất thấp hơn máy di động ở xa trạm gốc. Điều khiển cơng suất nhanh trong WCDMA đƣợc thực hiện 1500 lần trong một giây. Một đặc điểm nữa của CDMA là các mã ngẫu nhiên hĩa mang tính trực giao khá cao nên các đƣờng truyền đến máy thu cĩ độ trễ khác nhau thời gian chip hoặc lớn hơn thời gian này đều độc lập với nhau và vì thế cĩ thể sử dụng phân tập đa đƣờng (hay máy thu RAKE) trong CDMA. Nguyên tắc của máy thu RAKE là chọn một số đƣờng (một số ngĩn) cĩ cơng suất thu lớn hơn ngƣỡng, đồng chỉnh pha các đƣờng này rồi cộng cơng suất thu của chúng với nhau. WCDMA sử dụng hai tầng trải phổ: (1) trải phổ bằng mã định kênh, (2) trải phổ bằng mã nhận dạng nguồn phát. Mã định kênh đƣợc xây dựng trên cơ sở mã hệ số trải phổ trực giao khả biến (OVSF), trong đĩ hệ số trải phổ SF=Rs/Rc với Rs là tốc độ ký hiệu và Rc là tốc độ chip. Mã ngẫu nhiên hĩa đƣợc cấu trúc từ mã Gold. WCDMA sử dụng điều chế QPSK cho đƣờng xuống và BPSK cho đƣờng lên. Để giảm tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình của tín hiệu điều chế, ngẫu nhiên hĩa phức đƣợc sử dụng. Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 53 Phụ lục THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 2G Second Generation Thế hệ thứ 2 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 3GPP 3ird Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba 3GPP2 3ird Generation Patnership Project 2 Đề án đối tác thế hệ thứ ba 2 AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hĩa và điều chế thích ứng AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động AP-AICH Access Preamble Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BLER Block Error Rate Tỷ số lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khĩa chuyển pha hai trạng thái BS Base Station Trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CC Convolutional Code Mã xoắn CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CD/CA-CPCH Collision Detection/ Channel Kênh chỉ thị phát hiện va chạm ICH Assignment Indicator Channel CPCH/ấn định kênh CN Core Network Mạng lõi CPCH Common Packet Channel Kênh gĩi chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lƣợng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vịng dƣ CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Kênh điều khiển DL Downlink Đƣờng xuống DPCCH Dedicated Physycal Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng DRX Discontinuous Reception Thu khơng liên tục Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 54 DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối tăng cƣờng E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cƣờng EDGE Enhanced Data rates for GPRS Evolution Tốc độ số liệu tăng cƣờng để phát triển GPRS EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng tăng cƣờng E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cƣờng E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel Kênh cho phép tƣơng đối tăng cƣờng FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đƣờng xuống FDD Frequency Division Duplex Ghép song cơng phân chia theo tần số F-DPCH Fractional DPCH DPCH một phần (phân đoạn) GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vơ tuyến GSM EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gĩi chung GSM Global System For Mobile Communications Hệ thống thơng tin di động tịan cầu HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt HHO Hard Handover Chuyển giao cứng HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thƣờng trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập hĩi đƣờng xuống tốc độ cao HS- DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao HS- DSCH High-Speed Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gĩi tốc độ cao HS- PDSCH High-Speed Physical Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ cao HSS Home Subsscriber Server Server Thuê bao nhà HS- SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gĩi đƣờng lên tốc độ cao IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phƣơng tiện IP IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 Thơng tin di động quốc tế 2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv4 IP version 4 Phiên bản IP bốn Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 55 IPv6 IP version 6 Phiên bản IP sáu IR Incremental Redundancy Phần dƣ tăng Iu Giao diện đƣợc sử dụng để thơng tin giữa RNC và mạng lõi Iub Giao diện đƣợc sử dụng để thơng tin giữa nút B và RNC Iur Giao diện đƣợc sử dụng để thơng tin giữa các RNC LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập mơi trƣờng MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động NodeB Nút B OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình P- CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gĩi chung PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gĩi PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý PHY Physical Layer Lớp vật lý PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi PRACH Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên PS Packet Switch Chuyển mạch gĩi PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuơng gĩc QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khĩa chuyển pha vuơng gĩc RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vơ tuyến RAT Radio Access Technology Cơng nghệ truy nhập vơ tuyến RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vơ tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vơ tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vơ tuyến RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực S- CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 56 SIM Subscriber Identity Module Mođun nhận dạng thuê bao SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SHO Soft Handover Chuyển giao mềm TDD Time Division Duplex Ghép song cơng phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Mulptiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TFC Transport Format Combination Kết hợp khuơn dạng truyền tải TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp khuơn dạng truyền tải TrCH Transport Channel Kênh truyền tải TTI Transmission Time Interval Khỏang thời gian phát UE User Equipment Thiết bị ngƣời sử dụng UL Uplink Đƣờng lên UMB Ultra Mobile Broadband Băng thơng di động siêu rộng UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thơng tin di động tồn cầu USIM UMTS SIM UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vơ tuyến mặt đất UMTS UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất UMTS Uu Giao diện đƣợc sử dụng để thơng tin giữa nút B và U WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WiFi Wireless Fidelitity Chất lƣợng khơng dây cao WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Tƣơng hợp truy nhập vi ba tồn cầu VoIP Voice over IP Thoại trên IP Tìm hiểu hệ thống mạng di động 3G UMTS GVHD: Đỗ Đình Thuấn Đồ án 4 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO +Bài giảng khoa học cơng nghệ 3G WCDMA UMTS của tiến sĩ Nguyễn Phạm Anh Dũng