Tài liệu Giao diện vô tuyến của hệ thống umts kiến trúc phân lớp, các kênh, mã trải phổ

Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ MỤC LỤC Nội dung Trang Danh mục hình vẽ 3 Thuật ngữ viết tắt 4 Lời nói đầu 8 I. Hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS 9 1, Sơ lược về lịch sử phát triển 2, Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS 9 11 II. Giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS 13 1. Tổng quan 2. Kiến trúc phân lớp trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS 3. Các kênh của hệ thống WCDMA UMTS 13 14 a. Các kênh Logic-LoCH b. Các kênh truyền tải-TrCH c, Các kênh vật lý 16 16 17 18 4. Các thông số kênh vật lý và phân bổ, quy hoạch tần số a. Các thông số kênh vật lý b. Phân bổ và quy hoạch tần số 23 23 24 5. Mã trải phổ 25 IV. Kết luận 28 Tài liệu tham khảo 28 ~1~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Hình 2 Hình 3 Hình 4 Hình 5 Hình 6 Hình 7 Hình 8 Hình 9 Hình 10 Hình 11 Hình 12 Hình 13 : Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1(1G ) lên thế hệ 4 (4G) : Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP : Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP : Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS : Kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS : Các kênh LoCH, TrCH và sắp xếp các kênh LoCH lên các kênh TrCH : Tổng kết các kiểu kênh vật lý : Các kênh vật lý và sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý : Tổng kết các kênh trong 2 mặt phẳng CP và UP : Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý : Chuyển đổi giữ các kênh truyền tải và kênh vật lý : Cây mã OVSF : Phân cấp mã ngẫu nhiên hoá ~2~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết Tắt Nguyên Văn Giải Nghĩa WCDMA UMTS : Wideband Code Division Multiple Access : Universal Mobile Telecommunications System CDMA GSM : Code Division Multi Access : Global System for Mobile Telecommucations HSPA LTE AMPS TACS : High Speed Packet Access : Long Term Evolution : Advanced Mobile Phone System : Total Access Communication System EVDO IMT IEEE WiFi WiMAX : Evolution Data Only : International Mobile Telecommnications : Institute of Electrical and Electtronics Engineers : Wireless Fidelitity : Worldwide Interoperability for Microwave Access UMB 3GPP : Ultra Mobile Broadband : Third Generation Parnership Project Mbps GPS : Mega bit per second : Global Positioning System WLAN : Wireless local area network PS CS RAN UTRAN : Packet Switch : Circuit Switch : Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến : UMTS Terrestrial Radio Network BTS RNC BSC PSTN : Base Transceiver Station : Rado Network Controller : Base Station Controller : Public Switched Telephone Network ~3~ - Đa truy cập phân mã băng rộng - Hệ thống thông tin di động toàn cầu - Đa truy nhập phân chia theo mã - Hệ thống thông tin di động toàn cầu - Truy cập gói tốc độ cao - Tiến hóa dài hạn - Hệ thống thoại di động tiên tiến - Tổng số truy cập hệ thống truyền thông - Chỉ tiến hóa dữ liệu - Viễn thông di động quốc tế - Viện kỹ nghệ điện và điện tử - Hệ thống mạng không dây - Tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn - Di động siêu băng rộng - Đề án của các đối tác thế hệ ba - Tốc độ mega bit trên giây - Hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí - Mạng cục bộ (LAN) gồm các máy tính liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến - Chuyển mạch gói - Chuyển mạch kênh - Mạng truy nhập vô tuyến - Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS - Trạm thu phát gốc - Bộ điều khiển trạm gốc - Bộ điều khiển trạm gốc - Mạng điện thoại chuyển mạch Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ PLMN SMS MSC GMSC SGSN GGSN TDMA : Public Land Mobile Network : Short Message Servive : Mobile Switching Center : Gateway Mobile Switching Center : Serving GPRS Support Node : Gateway GPRS Support Node : Time Division Multi Access GERAN : GSM EDGE Radio Access Network QoS UE CN TE ME USIM : Quality of Service : User Equipment : Core Network : Terminal Equipment : Mobile Equipment : UMTS Subscriber Identity Module RNS HE AuC HLR EIR GPRS FDD TDD PDPC BMC MAC MM CC GMM SM RLC PhCH TrCH LoCH CCH TCH BCCH : Radio Network System : Home Environment : Authentication Center : Home Location Register : Equipment Identity Register : General Packet Radio Service : Frequency Division Duplex : Time Division Duplex : Packet Data Convergence Protocol : Broadcast/Multicast Control : Medium Access Control : Mobility Management : Connection Management : GPRS Mobility Management : Session Management : Radio link Control : Physical Channel : Transmission Channel : Logic Channel : Control Channel : Traffic Channel : Broadcast Control Channel ~4~ công cộng - Mạng di động công cộng mặt đất - Dịch vụ nhắn tin - Trung tâm chuyển mạch di động - Định tuyến thiết lập cuộc gọi - Nút hỗ trợ dịch vụ của GPRS - Nút hỗ trợ cổng nối GPRS - Đa truy nhập phân chia theo thời gian - Mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM - Chất lượng dịch vụ - Thiết bị di động - Mạng lõi - Thiết bị đầu cuối - Thiết bị di động - Module nhận dạng thuê bao UMTS - Hệ thống mạng vô tuyến - Môi trường nhà - Trung tâm nhận thực - Bộ ghi định vị thường trú - Bộ ghi nhận dạng thiết bị - Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp - Ghép song công theo tần số - Ghép song công theo thời gian - Giao thức hội tụ số liệu gói - Điều khiển quảng bá/đa phương - Điều khiển truy nhập môi trường - Quản lý di động - Quản lý kết nối - Quản lý tính di động GPRS - Quản lý phân đoạn - Điều khiển liên kết - Kênh vật lý - Kênh truyền tải - Kênh Logic - Kênh điều khiển - Kênh lưu lượng - Kênh điều khiển quảng bá Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ PCCH CCCH DCCH DTCH CTCH BCH FACH PCH DSCH CPCH DCH DPCH DPDCH DPCCH PRACH PCPCH CPICH P-CCPCH : Paging Control Channel : Common Control Channel : Dedicated Control Channel : Dedicated Traffic Channel : Common Traffic Channel : Broadcast channel : Fast Access Channel : Paging Channel : Down Link Shared Channel : Common Packet Channel : Dedicated Channel : Dedicated Physical Channel : Dedicated Physical Data Channel : Dedicated Physical Control Channel : Physical Random Access Channel : Physical Common Packet Channel : Common Pilot Channel : Primary Common Control Physical Channel S-CCPCH : Secondary Common Control Physical Channel SCH PDSCH AICH PICH AP-AICH CD/CAICH CSICH DL UL OCQPSK (HPSK) CSACELP ETSI : Synchrronization Channel : Physical Downlink Shared Channel : Acquisition Indication Channel : Page Indication Channel : Access Preamble Acquisition Indicator Channel : CPCH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel : CPCH Status Indicator Channel : Downlink : Uplink : Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying (Hybrid PSK) : Conjugate Structure-Algebraic Code Excited Linear Prediction : European Telecommunications Standards Institute ARIB : Association of Radio Industries and Business ~5~ - Kênh điều khiển tìm gọi - Kênh điều khiển chung - Kênh điều khiển riêng - Kênh lưu lượng riêng - Kênh lưu lượng chung - Kênh quảng bá - Kênh truy nhập nhanh - Kênh tìm gọi - Kênh chia sẻ đường xuống - Kênh gói chung - Kênh riêng - Kênh vật lý riêng - Kênh vật lý số liệu riêng - Kênh vật lý điều khiển riêng - Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên - Kênh vật lý gói chung - Kênh hoa tiêu chung - Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp - Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp - Kênh đồng bộ - Kênh vật lý chia sẻ đường xuống - Kênh chỉ thị bắt - Kênh chỉ thị tìm gọi - Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập - Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh - Kênh chỉ thị trạng thái CPCH - Đường xuống - Đường lên - Khóa chuyển pha vuông góc trực giao - Dự báo tuyến tính kích thích theo mã lđại số cấu trúc phức hợp - Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu - Liên hiệp công nghiệp và kinh doanh vô tuyến Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ LỜI NÓI ĐẦU Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết. ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ ba với tên gọi IMT2000 để đạt được các mục tiêu chính sau đây:  Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này.  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 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 . Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đã được đưa vào hoạt động. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba. Trong bài tiểu luận này, nhóm em lựa chọn đề tài “Giao diện vô tuyến của hệ thống 3G WCDMA UMTS”. Bài tiểu luận sẽ tập trung đi sâu tìm hiểu về các kiến trúc phân lớp, các kênh và mã trải phổ. Với thời gian và kiến thức có hạn, nên bài tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót và nhược điểm, chúng em rất mong được sự chỉ dẫn và góp ý của thầy và các bạn. Hà Nội, ngày 19 tháng 04 năm 2016 ~6~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ I, Hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS 1, Sơ lược về lịch sử phát triển AMPS: Advanced Mobile Phone System TACS: Total Access Communication System GSM: Global System for Mobile Telecommucations WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access EVDO: Evolution Data Only IMT: International Mobile Telecommnications IEEE: Institute of Electrical and Electtronics Engineers WiFi: Wireless Fidelitity WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access LTE: Long Term Evolution UMB: Untra Mobile Broadband Hình 1. Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1(1G ) lên thế hệ 4 (4G) ~7~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ Hình 2. Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Hình 3. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third Generation). Đã có rất nhiều người nhầm lẫn một cách vô ý hoặc hữu ý giữa hai khái niệm 3G và UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail Thế hệ mạng 3G được nhà mạng Verizon (Mỹ) giới thiệu lần đầu tiên năm 2002, hiện vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tốc độ trung bình 1,5 Mbps. Cuộc cách mạng 3G mang đến những bước tiến vượt bậc về tốc độ, cho phép sử dụng các ứng dụng video, đồ họa và thoại như xem các video phát trực tiếp, họp qua mạng, mặc dù các dịch vụ này bị hạn chế ít nhiều bởi tốc độ truyền tải chưa cao. Một trong số các vấn đề của 3G chính là chuẩn hóa một giao thức ~8~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ mạng toàn cầu đơn nhất, thay vì một loại các chuẩn được triển khai khác nhau theo nhà mạng và vùng địa lý. Về mặt lý thuyết, 3G đạt tốc độ trung bình 2Mpbs, nhưng có khi chỉ ở mức 145 Kbps. Do có nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở châu Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000. Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là UMTS. Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại. Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN… thành một mạng thống nhất có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một mạng hướng dịch vụ. 2, Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G-WCDMA UMTS Mạng thông tin di động (TTDĐ) 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói. Hình 1.4 dưới đây cho thấy thí dụ về một kiến trúc tổng quát của TTDĐ 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. Hình 4. Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS RAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh PS: Packet Switch: chuyển mạch gói SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin ~9~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ Server: máy chủ PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn. 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS). Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM). Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3G WCDMA UMTS. Vì TTDĐ 3G cho phép truyền dẫn nhanh hơn, nên truy nhập Internet và lưu lượng thông tin số liệu khác sẽ phát triển nhanh. Ngoài ra TTDĐ 3G cũng được sử dụng cho các dịch vụ tiếng. Nói chung TTDĐ 3G hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện. Vì thế mỗi kiểu lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ. QoS ở W-CDMA được phân loại như sau: + Loại hội thoại (Conversational, rt): Thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (thoại chẳng hạn). + Loại luồng (Streaming, rt): Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ (phân phối truyền hình thời gian thực chẳng hạn: Video Streaming) + Loại tương tác (Interactive, nrt): Đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và tỷ lệ lỗi thấp (trình duyệt Web, truy nhập server chẳng hạn). + Loại nền (Background, nrt): Đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên nền cơ sở (email, tải xuống file: Video Download) 3G WCDMA UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4, R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm hai miền: miền CS (Circuit Switch: chuyển mạch kênh) và miền PS (Packet Switch: chuyển mạch gói). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP. + WCDMA UMTS R3: WCDMA UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói: đến 384 Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Các kết nối tốc độ cao này đảm bảo cung cấp một ~ 10 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ tập các dich vụ mới cho người sử dụng di động giống như trong các mạng điện thoại cố định và Internet. Các dịch vụ này gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao (CD) và tốc độ truyền cao tại đầu cuối. Một tính năng khác cũng được đưa ra cùng với GPRS là "luôn luôn kết nối" đến Internet. UMTS cũng cung cấp thông tin vị trí tốt hơn và vì thế hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ dựa trên vị trí. Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE: User Equipment), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network), mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 1.8). UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). UTRAN gồm các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó. Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị). + WCDMA 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 có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào. Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server. + WCDMA UMTS R5: Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện IP (hình 1.11). Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu. II, Giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS 1. Tổng quan WCDMA UMTS là một trong các tiêu chuẩn của IMT-2000 nhằm phát triển của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. WCDMA UMTS sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W-CDMA và mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS. W-CDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex). Cả hai giao diện này đều sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA). Giải pháp thứ nhất sẽ được triển khai rộng rãi còn giải pháp thứ hai chủ yếu sẽ được triển khai cho các ô nhỏ (Micro và Pico). Hiện nay mới chỉ có WCDMA/FDD được triển khai phổ biến rộng khắp toàn quốc ~ 11 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 MHz: đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz, đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 Mhz. Mặc dù 5 MHz là độ rộng băng danh định, ta cũng có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz đến 5 MHz với nấc tăng là 200 KHz. Việc chọn độ rộng băng đúng đắn cho phép ta tránh được nhiễu giao thoa nhất là khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác. Giải pháp TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và từ 2010 MHz đến 2025 MHz; ở đây đường lên và đường xuống sử dụng chung một băng tần. Giao diện vô tuyến của W-CDMA/FDD (để đơn giản ta sẽ bỏ qua ký hiệu FDD nếu không xét đến TDD) hoàn toàn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dung phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong WCDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Các phần tử của UTRAN rất khác với các phần tử ở mạng truy nhập vô tuyến của GSM. Vì thế khả năng sử dụng lại các BTS và BSC của GSM là rất hạn chế. Một số nhà sản xuất cũng đã có kế hoạch nâng cấp các GSM BTS cho WCDMA. Đối với các nhà sản suất này có thể chỉ tháo ra một số bộ thu phát GSM từ BTS và thay vào đó các bộ thu phát mới cho WCDMA. Một số rất ít nhà sản suất còn lập kế hoạch xa hơn. Họ chế tạo các BSC đồng thời cho cả GSM và WCDMA. Tuy nhiên đa phần các nhà sản suất phải thay thế GSM BSC bằng RNC mới cho WCDMA. W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM, GPRS hiện có cho mạng của mình. Các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấp từ mạng hiện có để hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM. Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý. Kênh logic được hình thành trên cơ sở đóng gói các thông tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải. Nhiều kênh truyền tải được ghép chúng vào kênh vật lý. Kênh vật lý được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi một cặp tần số và một mã trải phổ. Ngoài ra kênh vật lý đường lên còn được đặc trưng bởi góc pha. Trong phần dưới đây ta trước hết ta xét kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến sau đó ta sẽ xét giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD, sau đó sẽ xét các kênh này. 2. Kiến trúc phân lớp trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS Để đi sâu tìm hiểu thêm thì đầu tiên ta xét qua mô hình kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS ~ 12 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ Hình 5. Kiến trúc phân lớp giao thức trong giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA UMTS Giao diện vô tuyến được chia thành 3 lớp giao thức: - Lớp vật lý (L1): Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như điều chế và mã hóa, trải phổ v.v.. - Lớp liên kết nối số liệu (L2): Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp - Lớp mạng (L3): Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến Mỗi khối thể hiện một trường hợp của giao thức tương ứng. Đường không liền nét thể hiện các giao diện điều khiển, qua đó giao thức RRC điều khiển và lập cấu hình các lớp dưới. Lớp 2-Lớp liên kết nối số liệu được chia thành các lớp con: MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) và RLC (Radio link Control: điều khiển liên kết), PDCP (Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC (Broadcast/Multicast Control: Điều khiển quảng bá/đa phương ). Lớp 3-Lớp mạng và RLC được chia thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển (C-Plane) và mặt phẳng người sử dụng (U-Plane). PDCP và BMC chỉ có ở mặt phẳng U. Trong mặt phẳng C lớp 3 bao gồm RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) kết cuối tại ~ 13 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ RAN và các lớp con cao hơn: MM (Mobility Management) và CC (Connection Management), GMM (GPRS Mobility Management), SM (Session Management) kết cuối tại mạng lõi (CN). Lớp 1-Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. Mỗi kênh vật lý ở lớp này được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên hoá (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp cao trên giao diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý chỉ được dành cho hoạt động của lớp vật lý. Để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. 3. Các kênh của hệ thống WCDMA UMTS Trong hệ thống WCDMA UMTS các kênh được phân loại như sau : * Kênh vật lý(PhCH): Kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến. Mỗi PhCH có một trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác. Một người sử dụng tích cực có thể sử dụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai. Kênh riêng là kênh PhCH dành riêng cho một UE còn kênh chung được chia sẻ giữa các UE trong một ô. * Kênh truyền tải( TrCH): Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số liệu. Các kênh TrCH được sắp xếp lên các PhCH * Kênh Logic(LoCH): Kênh được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn. Kênh LoCH được xác định bởi kiểu thông tin mà nó truyền. a, Các kênh Logic-LoCH Nói chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết trong bảng 1 dưới đây. Bảng 1. Danh sách các kênh logic Nhóm kênh Kênh logic Ứng dụng BCCH (Broadcast Control CCH (Control Channel: Kênh điều khiển quảng Channel: Kênh bá) điều khiển) PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi) ~ 14 ~ Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin hệ thống Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ CCCH (Common Control Kênh hai chiều để phát thông tin điều Channel: Kênh điều khiển chung) khiển giữa mạng và các UE. Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới DCCH (Dedicated Control Kênh hai chiều điểm đến điểm để phát Channel: Kênh điều khiển riêng). thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng. Được thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC DTCH (Dedicated Traffic TCH (Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng) Channel: Kênh lưu lượng) CTCH (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung) Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng. DTCH có thể tồn tại cả ở đường lên lẫn đường xuống Kênh một chiều điểm đa điểm để truyền thông tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhóm người sử dụng quy định hoặc chỉ cho một người sử dụng. Kênh này chỉ có ở đường xuống. b, Các kênh truyền tải-TrCH Các kênh lôgic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm các người sử dụng trong ô, còn kênh kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênh truy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung). Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng). Kênh truyền tải chung có thể được áp dụng cho tất cả các người sử dụng trong ô hoặc cho một người hoặc nhiều người đặc thù. Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này không cần có địa chỉ. Chẳng hạn kênh BCH để phát thông tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong ô. Khi kênh truyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhận dạng người sử dụng trong băng (trong bản tin sẽ được phát). Kênh PCH là kênh truyền tải chung được sử dụng để tìm gọi một UE đặc thù sẽ chứa thông tin nhận dạng người sử dụng bên trong bản tin phát. Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dược cho ở bảng 2 dưới đây. Bảng 2. Danh sách và ứng dụng các kênh truyền tải Kênh truyền tải DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng) Ứng dụng Kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử dụng. Được ấn định riêng cho người sử dụng. Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh ~ 15 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá) Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (chẳng hạn thông tin hệ thống, thông tin ô) FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống) Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi) Kênh chung dường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi RACH (Random Access Channel) Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp của người sử dụng CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung) Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm. DSCH (Dowlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống) Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói. Chia sẻ cho nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao. Các kênh logic được sắp xếp lên các kênh truyền tải như cho trên hình 5 dưới đây Hình 6. Các kênh LoCH, TrCH và sắp xếp các kênh LoCH lên các kênh TrCH c, Các kênh vật lý Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý (Physical Channel) bao gồm các kênh vật lý riêng ~ 16 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 6 và bảng 3. Hình 7. Tổng kết các kiểu kênh vật lý Bảng 3. Danh sách và ứng dụng các kênh vật lý Tên kênh Ứng dụng DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng) Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được ấn định riêng cho UE. Gồm DPDCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng). Trên đường xuống DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức còn trên đường lên được ghép mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng) Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một DPDCH. Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất (TPC: Transmission Power Control), chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của anten ~ 17 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ thích ứng (hay anten thông minh) có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều dịch vụ được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bị bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp hồi tiếp (FBI: Feeback Information) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa. PRACH (Physical Random Access Channel: Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH PCPCH (Physical Common Packet Channel: Kênh vật lý gói chung) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: PCPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp) và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh nay không có hoa tiêu riêng như ở các trường hợp kênh DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng anten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH (kênh mang các bản tin tìm gọi) và các kênh DPCH đường xuống. P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp) Kênh chung đường xuống. Một ô có thể có một hay nhiều SCCPCH. Được sử dụng để truyền PCH và FACH SCH (Synchrronization Channel: Kênh đồng bộ) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô PDSCH (Physical Downlink Shared Channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc không có). Được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH ~ 18 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ AICH (Acquisition Indication Channel: Kênh chỉ thị bắt) Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH. PICH (Page Indication Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi kênh Channel: Kênh chỉ thị tìm gọi) này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi cho từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập) Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH CD/CA-ICH (CPCH Collision Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH. Được sử dụng Detection/ Channel để điều khiển va chạm PCPCH Assignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh) CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH) Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH Hình 8. Các kênh vật lý và sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý ~ 19 ~ Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS: Kiến truc phân lớp, các kênh, mã trải phổ Hình 9. Tổng kết các kênh trong 2 mặt phẳng CP và UP Hình 10. Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý. cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khối truyền tải tại phía thu ~ 20 ~