Tài liệu Tối ưu chỉ số KPI mạng vô tuyến 3G UMTS

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG 3G - UMTS 1.1.Giới thiệu chung 1.1.1.Khái niệm về UMTS Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (theo tiếng Anh: Universal mobile telecommunication system, viết tắt là UMTS) là một trong các công nghệ viễn thông di động thế hệ thứ 3 (3G-Third Generation). Nó được tiêu chuẩn hoá bởi 3GPP và là một bộ phận của chuẩn ITU IMT-2000. UMTS đáp ứng được các mục tiêu của IMT-2000. UMTS cung cấp một con đường tiến hoá cho GSM để đạt được tốc độ truyền tải dữ liệu cao và dung lượng lớn hơn. Mặc dù UMTS sử dụng lại phần lớn mạng lừi GSM nhưng nó lại sử dụng các công nghệ đa truy nhập vô tuyến khác đó là công nghệ “Đa truy nhập phõn chia theo mã băng rộng” (WCDMA) hay còn gọi là UTRA-FDD. Đõy là một tiêu chuẩn về giao diện không gian đầu tiên và hoàn thiện nhất trong các công nghệ của UMTS và được các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thông ở cả 3 chõu lục: Âu, Á, Mỹ sử dụng rộng rãi. Ngoài ra UMTS còn đưa vào 2 phương án kỹ thuật khác là “Đa truy nhập phõn chia theo mã đồng bộ-phõn chia theo thời gian” TD-SCDMA (còn gọi là UTRA-TDD LCR) do Trung Quốc đề xướng và “ Đa truy nhập phõn chia theo mã-phõn chia theo thời gian” (TD-CDMA) (còn gọi là UTRA-TDD HCR). UMTS được dự đoán là sẽ có tính kinh tế nhờ quy mô bằng việc triển khai dưới mạng phần ứng dụng di động (MAP) GSM/GPRS. 1.1.2. Khả năng cải tiến của UMTS  Tốc độ bít cao hơn đáng kể so với mạng di động 2G.  Trễ thấp hơn với thời gian đi và về của gói là dưới 100ms với phiên bản 5 và thậm chí là dưới 5ms với phiên bản  Tính di động liên tục giúp giữ kết nối liên tục, không thời hạn khi chuyển đổi qua nhiều mạng và thiết bị khác nhau với các ứng dụng dữ liệu gói.  Sự phân biệt chất lượng dịch vụ (Qos) cho hiệu quả cao trong việc phân GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 2 phối dịch vụ.  Khả năng sử dụng các dịch vụ dữ liệu và thoại đồng thời.  Có khả năng liên kết với hệ thống toàn cầu cho truyền thông di động (GSM) và hệ thống vô tuyến gói chung (GPRS) hiện đang tồn tại.  Cho người dùng dữ liệu gói, UMTS hỗ trợ HSDPA với đường xuống tốc độ cao và HSUPA được thiết kế để cung cấp tốc độ cao trên đường lên. 1.1.3.Các phiên bản của UMTS-WCDMA Phiên bản 99 (R99): Cải tiến trên GSM/GPRS/EDGE nõng cao dung lượng thoại và có tốc độ dữ liệu cao hơn (đường lên (UL) 384kbps-đường xuống (DL) 384kbps). Trong đó bao gồm cả các dịch vụ định vị. Phiên bản 4 (R4): Chủ yếu giới thiệu kiến trúc phõn chia chuyển mạch kênh (CS), TDD tốc độ 1,28 Mcps, vận hành độc lập giữa bộ chuyển mã và tổng đài, dòng PS. Phiên bản 5 (R5): HSDPA cung cấp tốc độ dữ liệu đường xuống cao hơn đáng kể so sánh với R99 (DL 1,8-14,4 Mbps-UL 384 kbps). Hỗ trợ cho truyến dẫn toàn IP và phõn hệ đa phương tiện IP. Phiên bản 6 (R6): Truy cập đường lên tốc độ cao (HSUPA) cung cấp tốc độ dữ liệu đường lên cao hơn phiên bản 99 và R5. Bổ sung dịch vụ Multicast, broadcast đa phương tiện (MBMS) và các dịch vụ đa phương tiện phong phú dựa trên phõn hệ đa truyền thông IP (IMS) như hội thảo, chia sẻ Video. Phiên bản 7 (R7): HSPA+ (Cách mạng HSPA) cung cấp các tính năng của giao diện vô tuyến cải tiến: nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO) cho đường xuống và 64/16 QAM trên đường lên và đường xuống cho các tốc độ dữ liệu cao hơn. Nó cũng triển khai kết nối gúi liên tục (CPC), giảm báo cáo chỉ thị chất lượng kênh (CQI), và giảm sự hoạt động của kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao (HS-SCCH). Phiên bản 8 (R8): Sự phát triển dài hạn (LTE) sẽ dựa trên OFDM, triển khai trên các băng trong thang 1,25-20 MHz. 1.1.4. Băng tần số cấp phát cho WCDMA-UMTS GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 3 Bảng 1.1 Băng tần được triển khai vào tháng 11/2007 Tên băng Kích Dải đường Số Dải đường lên xuống băng thước Các vùng khác (trong đó có Việt Nam) Phân cách UMTS-2100 I 2x60 1920-1980 2110-2170 190 Mhz UMTS-2600 VII 2x70 2500-2570 2620-2690 120 Mhz Châu Âu/GSM UMTS-1800 III 2x75 1710-1785 1805-1880 95 Mhz UMTS-900 VIII 2x35 880-915 925-960 45 Mhz Hoa Kỳ UMTS-1900 II 2x60 1850-1910 1930-1990 80 Mhz UMTS-17002100 IV 2x45 1710-1755 2110-2155 400 Mhz UMTS-850 V 2x25 824-849 869-894 45 Mhz 875-885 1844.9-1879.9 95 Mhz 45 Mhz Nhật Bản UMTS-800 VI 2x10 830-840 UMTS-1700 IX 2X35 1749.9-1784.9 Sẽ rất tốt nếu có một sự cấp phát tần số toàn cầu cho tất cả các hệ thống 3G. Tuy nhiên, sự cấp phát phổ tần do các cơ quan quản lý riêng rẽ vì vậy không có phổ tần 3G chung cho toàn cầu. Các băng tần số khác nhau được gán cho UMTS tại các vùng và cho các nước khác nhau. Các hệ thống UMTS FDD hiện nay được dự kiến vận hành trên các băng tần đã nêu trong bảng 1.1, mặc dù chỉ có một vài băng tần là hiện đã được triển khai. UMTS-900 được dự định triển khai tại Chõu Âu vào năm 2008. Tại Việt Nam, công nghệ 3G UMTS sử dụng băng tần số theo chuẩn IMT- 2000 trong băng tần số 1900-2200 Mhz. Có thể đơn cử băng tần được cấp của Vinaphone là UL: 1950-1965 và DL: 2140-2155.  Dải tần UMTS-WCDMA GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 4 Hình 1.1 minh hoạ dải tần số của hệ thống UMTS. Hình 1.1 Dải tần UMTS-WCDMA Khoảng cách kênh: Khoảng cách kênh danh định là 5 Mhz, nhưng có thể được điều chỉnh để tối ưu chất lượng trong mỗi hoàn cảnh triển khai riêng. Mành kênh: d Khz, có nghĩa là tần số trung tõm phải là một số nguyên lần của 200 Khz. Số kênh: Tần số súng mang được chỉ đinh bởi số kênh tần số vô tuyến tuyệt đối (UARFCN). Fcenter= URAFCNì200 Khz. Phõn cách đường lên với đường xuống: phõn cách tần số đường lên và đường xuống tuỳ theo các băng tần như đã được chỉ ra trong hình 1.1. 1.2. Kiến trúc mạng 3G-UMTS Một mạng UMTS (hình 1.2) bao gồm 3 phần chính là: Thiết bị di động (UE), mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) và mạng lừi (CN). Mạng UMTS còn có hệ thống hỗ trợ vận hành lừi vô tuyến (OSS-RC). Hình 1.2 Kiến trúc mạng UMTS 1.2.1 Thiết bị người sử dụng GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 5 UE Uu USIM Cu Terminal Equipment Mobile Equipment UTRAN Hình 1.3 Cấu trúc của UE Thiết bị người sử dụng (UE) (hình 1.3): là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng. UE của UMTS dựa trên cùng một nguyên lý như MS của GSM đó là sự phõn tách giữa thiết bị di động (ME) và modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM). Chức năng chính của UE là:  Giao diện người dùng và màn hình.  Giữ các thuật toán nhận thực và các khoá.  Đầu cuối người dùng của giao diện vô tuyến.  Mặt bằng ứng dụng. Mô đun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): được cài như một ứng dụng trên card IC thông minh UMTS (UICC). Điều mà ta quan tõm đến là dung lượng nhớ và tốc độ xử lý mà nó cung cấp. Nhờ được cài trên UICC mà cho phép USIM lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khoá điện tử) hơn. Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy cập đến nhiều mạng. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Bên cạnh đó nó còn lưu cả các thông tin đăng ký của thuê bao. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã pin. Mạng sẽ chỉ cung cấp dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng UMTS được đăng ký. Thiết bị di động (ME: Mobile equipment ): Là thiết bị đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho liên lạc vô tuyến trên giao diện Uu. Thiết bị đầu cuối (TE: Terminal equipment): Là thiết bị đầu cuối kết GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 6 nối vớiUE. Thiết bị này mang giao diện người dùng ứng dụng. 1.2.2. Mạng truy cập vô tuyến UMTS Hình 1.4 Kiến trúc UTRAN tổng quát Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) (hình 1.4) là một phần của một hệ thống WCDMA. Nó chứa một hoặc nhiều hệ thống con mạng vô tuyến (RNS). Mỗi RNS chứa một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và một hoặc nhiều NodeB. Chức năng chính của UTRAN là cung cấp một kết nối giữa UE và mạng lừi. UTRAN cách ly mạng lừi với các chi tiết liên quan đến vô tuyến cho việc cung cấp kết nối này. UTRAN hỗ trợ một kênh mang truy cập vô tuyến (RAB) để thiết lập một kết nối thoại giữa UE và mạng lừi. Các đặc điểm của RAB khác nhau phụ thuộc vào loại thông tin hoặc dịch vụ được truyền tải. UTRAN được xác định giữa hai giao diện Iu và Uu. Iu là giao diện giữa UTRAN và mạng lừi, giao diện này gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh. Uu là giao diện giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng.  Các thành phần chính của mạng truy cập vô tuyến (UTRAN): Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến (RNC): chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đõy cũng chính là điểm truy cập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. RNC có hai loại là GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 7 RNC dịch vụ (SRNC) và RNC trôi (DRNC). Giao diện nằm giữa các RNC là giao diện Iur với chức năng cung cấp báo hiệu và các liên kết dữ liệu cho việc chuyển tiếp và chuyển giao mềm giữa các RNC. Giao diện giữa RNC và NodeB là Iub có chức năng cung cấp báo hiệu và các liên kết dữ liệu. RNC được nối đến mạng lừi CN bằng hai giao diện, một cho miền chuyển mạch gói (SGSN) là giao diện Iu-PS và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC) là Iu-CS. NodeB: Trong UMTS trạm gốc được gọi là NodeB. Nhiệm vụ của NodeB là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa thiết bị đầu cuối với nó. NodeB nhận tín hiệu trên giao diện vô tuyến Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ bản như “điều khiển công suất vũng trong”. 1.2.3. Mạng lừi Hình 1.5 Kiến trúc mạng lừi Mạng lừi UMTS được minh hoạ trong hình 1.5. Mạng UMTS hỗ trợ cả hoạt động chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS). MSC/VLR và GMSC thuộc miền chuyển mạch kênh, trong khi nỳt hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN) và nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) thuộc miền chuyển mạch gói. Cả hai miền chia sẻ một bộ ghi định vị thường trú (HLR) và một trung tõm nhận thực (AuC). Mạng lừi UMTS có thể kết nối với cả UTRAN và mạng truy cập vô tuyến GSM EDGE (GERAN). Trong một khu vực địa lý nơi cả hai hệ thống WCDMA và GSM/GPRS được triển khai, sự phối hợp giữa các mạng truy cập cho phép UE hai chế độ vận hành được trên cả hai hệ thống, thực hiện chuyển giao liên hệ thống WCDMA - GSM/ GPRS. Mạng truy cập GSM/GPRS sử dụng giao diện A/Gb có sẵn, còn mạng GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 8 truy cập UTRAN sử dụng giao diện mới Iu để liên lạc với mạng lừi.  Các thành phần chính của mạng lừi gồm có: Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN): Thực hiện các nhiệm vụ truyền dẫn chuyển mạch gói. Vị trí hiện tại của một người dùng (bao gồm vùng định tuyến phần ứng dụng mạng truy cập vô tuyến (RANAP), số VLR và các địa chỉ GGSN) được lưu trong SGSN, nên gúi dữ liệu đến có thể được định tuyến tới người dùng đó. Cùng với chức năng định tuyến, SGSN cũng thực hiện việc nhận thực và lưu thông tin đăng ký thuê bao (bao gồm có IMSI, số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói (P- TMSI) và các địa chỉ giao thức dữ liệu gói (PDP)). Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN): là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác (như internet). Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. GGSN thường chứa một tường lửa để đảm bảo an ninh của mạng chống lại các tấn công từ bên ngoài gọi là cổng trạm biên giới (BG). Cũng như SGSN, GGSN lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí thuê bao. Dữ liệu vào mạng được đóng gói trong một contener đặc biệt bởi GGSN và được chuyển tiếp theo giao thức đường hầm GPRS (GTP) tới SGSN. Trung tõm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC): là một nỳt chuyển mạch mà hỗ trợ các kết nối chuyển mạch kênh. Để phục vụ cho nhiệm vụ chuyển mạch, một MSC phải hỗ trợ tính di động của người dùng. Nếu một người dùng di chuyển khu vực trong khi duy trì một kết nối, MSC chuyển tiếp kết nối từ các RNC và các NodeB tương ứng tới vùng định vị của người dùng (chuyển giao). Thêm vào đó, MSC chứa khu vực định vị hiện tại của người dùng nên trong trường hợp có một cuộc gọi đến thì liên lạc có thể được thiết lập đỳng trong cell mà máy di động đang hiện diện (quản lý định vị). MSC cũng tham gia trong các cơ chế nhận thực người dùng và bảo mật dữ liệu người dùng. Trung tõm chuyển mạch dịch vụ di động cổng (GMSC): GMSC có thể là một trong số các MSC, GMSC hỗ trợ các giao diện tới các mạng bên ngoài khác nhau như mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Khi mạng ngoài tìm GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 9 cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý UE. Bộ ghi định vị thường trú (HLR): là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. HLR lưu trữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tuỳ thuộc ở số lượng thuê bao, dung lượng từng HLR và tổ chức bên trong mạng. Cơ sở dữ liệu này chứa số nhận dạng thuê bao di động (IMSI), ít nhất một số thuê bao có trong danh bạ điện thoại (MSISDN), và ít nhất một địa chỉ PDP. Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy cập đến các thông tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước cuộc gọi, HLR lưu trữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang quản lý thuê bao đó. Bộ ghi định vị tạm trú (VLR): là một cơ sở dữ liệu tương tự như HLR. Dữ liệu thuê bao cần để cung cấp các dịch vụ cho thuê bao được sao chép từ HLR và lưu ở đõy. Tuy nhiên, dữ liệu trong một VLR là động. Ngay khi người dùng thay đổi khu vực định vị, thông tin trong VLR sẽ được cập nhật. Cả MSC và SGSN đều được nối tới VLR. Trung tõm nhận thực (AuC): lưu trữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hoá và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. AuC lưu trữ khoá bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khoá từ f0 đến f5. Nó tạo ra các vector nhận thực (AV) và các AV dự trữ, trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp. 1.2.4. Hệ thống hỗ trợ, vận hành vô tuyến và lừi (OSS-RC) OSS-RC là một hệ thống cung cấp chức năng quản lý chất lượng, kiểm soát mạng và các thống kê mạng từ mạng truy cập vô tuyến (RAN). RAN được điều khiển bởi OSS-RC. OSS-RC thu thập thông tin và dữ liệu bộ đếm từ RNC, các chuyển mạch ATM, và NodeB. OSS-RC là một công cụ giao diện người dùng mà các nhà vận hành có thể sử dụng cho việc xử lý cảnh báo, quản trị mạng tế bào, và các thuê bao di động. Các thống kê chất lượng được tạo ra GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 10 dựa theo lưu lượng thực tế lấy từ phần vô tuyến và phần mạng truyền tải. Dữ liệu thống kê chất lượng thu được từ một số các bộ đếm xác định trước. Các bộ đếm (counter) là các phần tử được sử dụng để kiểm soát chất lượng và hoạt động của mạng. 1.3.Các kênh trong hệ thống UMTS Hình 1.6. Các kênh UMTS Các kênh UMTS (hình 1.6) được phõn loại thành các kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý. Hình 1.7 mô tả tổng quát 3 loại kênh trong UTRAN. Hình 1.7. Các loại kênh trong UTRAN 1.3.1. Các kênh logic GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 11 Cỏc kênh logic được xác định bởi loại thông tin được truyền ví dụ như báo hiệu hay dữ liệu người dùng. Một số kênh logic quan trọng được mô tả trong bảng 1.2. Bảng 1.2 Các kênh logic UMTS Kênh Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH) Hướng Kênh điều khiển dành riêng (DCCH) Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) Kênh điều khiển chung (CCCH) Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) Chức năng UL/DL Truyền dẫn dữ liệu người dùng Truyền dẫn dữ liệu điều khiển liên quan UL/DL đến DL Quảng bá các thông tin hệ thống UL/DL Truyền dẫn dữ liệu điều khiển DL Được 1.3.2. Các kênh truyền tải Các kênh truyền tải mang báo hiệu và dữ liệu người dùng giữa lớp MAC và lớp vật lý và được định nghĩa bởi việc làm thế nào dữ liệu được truyền trên giao diện vô tuyến ví dụ: ghép kênh các kênh logic. Một số kênh truyền tải quan trọng được mô tả trong bảng 1.3 Bảng 1.3 Các kênh truyền tải UMTS Kênh Hướng Chức năng Các kênh chung Truy cập ngẫu nhiên và truyền các gói dữ Kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) UL liệu nhỏ Thủ tục tìm gọi cho việc thiết lập cuộc Kênh tìm gọi (PCH) DL gọi Kênh quảng bá (BCH) DL Quảng bá các thông tin hệ thống Kênh chia sẻ đường xuống (FACH) DL/UL Được chia sẻ giữa một số người dùng Các kênh dành riêng Mang dữ liệu, thông tin với UE đã được Kênh dành riêng (DCH) DL đăng ký và có thể mang dữ liệu gói 1.3.3. Các kênh vật lý Các kênh vật lý mang báo hiệu và dữ liệu ngưởi dùng trên liên kết vô tuyến và được định nghĩa bởi các ánh xạ vật lý và các thuộc tính được sử dụng để truyền GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 12 dữ liệu trên giao diện vô tuyến ví dụ: tốc độ trải phổ. Một số kênh vật lý quan trọng được mô tả trong bảng 1.4 Bảng 1.4 Các kênh vật lý UMTS Kênh Chức năng Một ô có thể có một hoặc nhiều DL Mỗi ô có một kênh để truyền BCH. S-CCPCH dùng để truyền PCH FACHKênh Kênhvàđồng bộ sơ cấpvật (P-lý điều Đồng bộ thời gian cho UE trong phạm SCH)DL DL vi Cell, P-SCH được sử dụng cho việc Kênh vật lý điều khiển chung thăm dò khởi đầu của UE. thứ cấp (S- CCPCH) Kênh đồng bộ thứ cấp Cung cấp định thời khung và giảm không DL gian tìm mã xáo trộn từ 512 xuống 8. (S-SCH) Kênh hoa tiêu chung (CPICH) Kênh chỉ thị thăm dò (AICH) Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH) Kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH) Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) DL Gồm hai loại P-CPICH,S-CPICH để cung cấp một tham chiếu thời gian. DL Đi Mang các chỉ thị tìm gọi, báo hiệu với DL UE có mộtsử bảndụng tin cho trên kênh kênh PCH. Được để nó mang truyền DL tải DSCH. Được sử dụng để mang kênh truyền UL tải RACH. Kênh gói chung vật lý(PCPCH) UL Dùng để mang kênh truyền tải CPCH. Được sử dụng để phát số liệu Đi cặp với PCPCH để điều khiển truy người dùng từ lớp cao hơn.Kênh DL cập ngẫu nhiên cho PCPCH. chỉ thị bắt tiền tố DL/ DL/ Mang thông tin điều khiển liên quan Kênh điều khiển vật lý dành UL đến DPDCH riêng (DPCCH) GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 13 1.4. Tổng kết chương Trong chương này, chỳng ta đã đề cập đến tổng quan về mạng 3G-UMTS, cấu trúc mạng, các thành phần trong mạng, các kênh trong UMTS như kênh logic, kênh vật lý, kênh truyền tải. Về mặt cấu trúc, hệ thống 3G khác hệ thống 2G ở giao diện vô tuyến UTRAN, còn phần mạng lừi cơ bản vẫn giống hệ thống 2G. Cũng từ đó mà các kỹ thuật trên giao diện vô tuyến của mạng 3G được tích hợp và tạo nên sự cải tiến và làm nên sự khác biệt rừ nét giữa 2G và 3G. GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 14 CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG UMTS 2.1. Giới thiệu chương So với hệ thống 2G, hệ thống 3G có nhiều điểm nổi trội, thể hiện qua các công nghệ mà nó sử dụng, như các kỹ thuật trải phổ, chuyển giao hay điều khiển công suất,v.v…Đõy là những kỹ thuật hết sức quan trọng, đúng vai trò chủ yếu vào những cải tiến của hệ thống 3G so với 2G. Chương này sẽ đề cập đến các kỹ thuật này một cách tương đối chi tiết, qua đó có cái nhìn tổng thể về các kỹ thuật trong hệ thống UMTS. 2.2.Trải phổ H ệ th ốn g W C DMA s ử dụn g k ỹ th uật tr ả i p hổ chuỗ i trự c tiếp (DS- CDMA). Trong đó, tín hiệu số băng gốc được nhõn trực tiếp với một chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ sau đó mới được điều chế với một sóng mang cao tần. Nhờ đó mà phổ của tín hiệu băng gốc được trải rộng ra nhiều lần. Hình 2.1 Trải phổ DS-CDMA với 3 người dùng Dòng dữ liệu: Thông thường tín hiệu được điều chế BPSK được sử dụng như là tín hiệu gốc. Có nghĩa là việc điều chế tín hiệu được thực hiện hai lần đối với tín hiệu gốc (chưa điều chế). Tín hiệu dữ liệu gốc (đạt được sau điều chế BPSK) sau đó được điều chế bởi chuỗi chip trải phổ tốc độ cao (hình 2.2). Vì thế mà tín hiệu băng hẹp BPSK chuyển thành tín hiệu được trải có băng rộng hơn. GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 15 Hình 2.2 Mô hình điều chế và giải điều chế Mã trải phổ (Mã phõn kênh): Được sử dụng trên đường xuống để phõn biệt các người dùng và các kênh trong phạm vi một Cell, còn ở trên đường lên chỳng được sử dụng để phõn biệt dữ liệu và các kênh điều khiển từ cùng thiết bị người dùng. Các mã trải phổ là các mã trực giao được gọi là các mã hệ số trải biến đổi trực giao (OVSF). Tất cả các mã OVSF có cùng hệ số trải cho trước đều trực giao với nhau. Các mã OVSF có các hệ số trải khác nhau từ 4 đến 512 phụ thuộc vào các dữ liệu có tốc độ symbol khác nhau. Các mã OVSF được tạo ra nhờ các cõy mã OVSF (Hình 2.3) Hình 2.3 Cõy mã OVSF Mã xáo trộn: Các mã xáo trộn được sử dụng sau và bổ sung cho các mã trải (OVSF). Dữ liệu đã được trải tới một tốc độ chip là 3,84 Mcps sau xáo trộn băng thông không bị thay đổi. Mục đích chủ yếu của xáo trộn là phõn biệt các người dùng trên đường lên và các cell (trạm gốc) trên đường xuống. Cỏc mã xáo trộn được sử dụng là cỏc mó giả tạp âm được gọi là cỏc mó vàng. Trên đường xuống cỏc mó xáo trộn được chia thành 512 nhóm, mỗi nhúm cú một mã xáo trộn cấp 1 và 15 mã xáo trộn cấp 2. Theo nguyên tắc đú thỡ cú 8192 mã xáo trộn GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 16 có thể được sử dụng trên đường xuống. Trên đường lờn cú tất cả 224 mã xáo trộn. Cỏc mó đường lờn đú được chia thành cỏc mó ngắn và cỏc mó dài. 2.3. Điều khiển công suất WCDMA Hệ thống WCDMA muốn hoạt động tốt đều có yêu cầu rất cao về vấn đề điều khiển công suất. Điều khiển công suất (PC) tối thiểu hoá công suất phát của cả UE và mạng. Vì các hệ thống WCDMA bị hạn chế bởi nhiễu, nên giảm công suất từ tất cả người dùng sẽ làm tăng dung lượng. Vấn đề cơ bản nhất trong điều khiển công suất là vấn đề gần-xa. Yêu cầu của điều khiển công suất là mức công suất mà các UE tạo ra ở NodeB cần phải bằng nhau.  WCDMA sử dụng các phương pháp điều khiển công suất sau: Hình 2.4. Thứ tự các loại điều khiển công suất 2.3.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) Được sử dụng khi UE lần đầu tiên truy cập hệ thống. Tại thời điểm đó UE ước lượng công suất được yêu cầu nhỏ nhất cần cho mạng để thu được tín hiệu của nó trong điều kiện không có phản hồi để UE để tăng hoặc giảm công suất. Điều khiển công suất vũng hở dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền trên đường xuống và tỉ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu. Trong thủ tục truy cập ngẫu nhiên, UE thiết lập công suất phát tiền tố đầu tiên: GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 17 Pr ea mb le_ In itia l_ po wer = C PICH _ Tx_ po wer – CPIC H_ RS C P+ U L _ in t e r f e r e n c e + U L _ r e q u i r e d_CI Trong đó CPICH_Tx_Power – CPICH_RSCP: là ước tính suy hao đường truyền từ NodeB đến UE; CPICH_Tx_power: là công suất phát của P_CPICH; CPICH_RSCP: là công suất P_CPICH thu tại UE; UL_interference (gọi là tổng công suất thu băng rộng): được đo tại NodeB và được phát quảng bá trên BCH; UL_required_CI: là hằng số tương ứng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu được thiết lập trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến. Nhược điểm của phương pháp này là điều kiện truyền súng của đường xuống khác với đường lên nhất là pha đinh nhanh nên sẽ thiếu chính xác. Hình 2.5. Các cơ chế điều khiển công suất trong W-CDMA 2.3.2. Điều khiển công suất vòng lặp đóng (CLPC) Được thực hiện khi MS đã kết nối với hệ thống. Nó thực hiện điều khiển công suất phát trên cả đường lên và đường xuống. CLPC dựa trên ba bước cơ bản đó là thực hiện việc truyền dẫn, đo lường ở phía thu và có phản hồi được cung cấp cho phía phát để xem có nên tăng hay giảm công suất hay không. Điều khiển công suất vũng kín gồm có hai phần: GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 18 - Điều khiển công suất nhanh vòng trong tốc độ 1500 Hz - Điều khiển công suất chậm vòng ngoài tốc độ 10-100Hz Điều khiển công suất vòng ngoài (Chậm): Được thiết lập trên RNC và UE, thực hiện đánh giỏ dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở FER hoặc BER để quyết định tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) đích cho điều khiển công suất vũng trong, để duy trì được QoS dịch vụ. Thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC. Việc kiểm tra chỉ thị chất lượng này sẽ thông báo cho RNC về việc giảm chất lượng và RNC sẽ ra lệnh cho NodeB tăng SIR đích. Điều khiển công suất vòng trong (Nhanh) Ước lượng SIR phải được tính sau mỗi khe thời gian, từ khi hoa tiêu của DPCCH xuất hiện trong mỗi khe thời gian. Vòng lặp trong được cho SIR đích và nó thực hiện so sánh SIR ước lượng với SIR đích. Nếu SIR ước lượng nhỏ hơn SIR đích, vòng lặp trong sẽ báo hiệu cho máy phát tăng công suất xuống và ngược lại. Việc này diễn ra rất nhanh 1500 lần/s, để bù trừ cho các điều kiện fadinh thay đổi nhanh. PC đường lên để vượt qua ảnh hưởng của hiệu ứng nearfar, tiết kiệm công suất UE. PC đường xuống để tiết kiệm công suất NodeB và giảm nhiễu cho các NodeB khác. Hình 2.6. Thủ tục điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài 2.4. Chuyển giao và lựa chọn lại Cell trong WCDMA GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 19 2.4.1. Chuyển giao Là quá trình bổ sung hoặc loại bỏ đi các liên kết với các cell mà UE đang liên lạc trên một kênh dành riêng. UE hỗ trợ quá trình này bằng việc thực hiện các đo lường cường độ tín hiệu của các cell lõn cận và báo cáo tới UTRAN, và cuối cùng thì UTRAN sẽ quyết định khi nào thực hiện chuyển giao. Lựa chọn lại Cell: là quá trình lựa chọn một cell mới khi UE đang nằm trong chế độ rỗi (Idle). UE lựa chọn một cell mới một cách độc lập mà không yêu cầu sự can thiệp từ UTRAN. Tuy nhiên UTRAN cung cấp các tham số trong các bản tin thông tin hệ thống mà nó ảnh hưởng tới quyết định lựa chọn lại Cell của UE. 2.4.2. Các loại chuyển giao và lựa chọn lại Cell Chuyển giao cùng tần số: xảy ra giữa các cell có cùng tần số vô tuyến. UE có thể đo lường cường độ tín hiệu của các cell khác mà không gõy gián đoạn kết nối với cell hiện tại. Chuyển giao có thể là mềm hoặc mềm hơn. Chuyển giao giữa các tần số: xảy ra giữa các cell trên các tần số vô tuyến khác nhau. Để đo lường cường độ tín hiệu của một cell lõn cận giữa các tần số, UE phải điều chỉnh khỏi tần số của cell đang phục vụ và điều chỉnh tới tần số của cell lõn cận. Chuyển giao giữa các hệ thống (IS-HO): giữa các tế bào thuộc hai công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) hay hai chế độ truy cập vô tuyến (RAM) khác nhau. Trường hợp thường xuyên xảy ra nhất là chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM. 2.4.3. Các thủ tục chuyển giao GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy 20 Hình 2.7. Các loại chuyển giao trong W-CDMA Chuyển giao cứng (Hard handOver-HO) là các thủ tục trong đó tất cả các đường truyền vô tuyến cũ của một UE được giải phóng trước khi thiết lập các đường truyền vô tuyến mới. Chuyển giao mềm (Soft HandOver-SHO) và chuyển giao mềm hơn (Softer Handover): là các thủ tục trong đó UE luụn duy trì ít nhất một đường vô tuyến nối đến UTRAN. Trong chuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nhiều cell thuộc các NodeB khác nhau của cùng một RNC (chuyển giao mềm nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (chuyển giao mềm giữa các RNC). Trong chuyển giao mềm hơn UE được kết nối đến ít nhất là hai cell của cùng một NodeB. Soft HO và Softer HO chỉ có thể xẩy ra trên cùng một tần số sóng mang và trong cùng một hệ thống. Phụ thuộc vào sự tham gia trong chuyển giao mềm, các cell trong một hệ thống WCDMA được chia thành các tập sau đõy: Trong chế độ kết nối, UE liên tục đo các ô phục vụ và các ô lõn cận (do RNC chỉ dẫn) trên tần số súng mang hiện thời. UE so sánh các kết quả đo với ngưỡng HO do RNC cung cấp và gửi báo cáo kết quả đo đến RNC. Vì thế SHO là kiểu chuyển giao được đánh giỏ bởi đầu cuối di động (MEHO). 2.5. Tổng kết chương Điều khiển công suất và chuyển giao trong hệ thống thông tin di động GVHD: Ths. Trần Trọng Thắng SVTH: Đỗ Ngọc Huy