ĐÀO YÊN TRUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Ngµnh: §iÖn tö - viÔn th«ng

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GIAO THOA ĐẾN
PHẠM VI PHỦ SÓNG TRONG QUY HOẠCH MẠNG
WCDMA

ĐÀO YÊN TRUNG

2005 - 2007
Hà Nội
2007

Hµ néi - 2007


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GIAO THOA ĐẾN

PHẠM VI PHỦ SÓNG TRONG QUY HOẠCH MẠNG
WCDMA
NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.70
ĐÀO YÊN TRUNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN PHƯƠNG

Hµ néi - 2007


2

MỤC LỤC
MỤC LỤC..................................................................................................................2
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU....................................................................................10
DANH SÁCH HÌNH VẼ.........................................................................................11
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA14
1.1 Giới thiệu .........................................................................................................14
1.2 Yêu cầu phân hệ vô tuyến ...............................................................................14
1.3 WCDMA và cấu trúc hệ thống........................................................................15
1.3.1 Các đặc tính của hệ thống WCDMA ........................................................15
1.3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của WCDMA ..................................................18
1.3.3 Kiến trúc của mạng truy nhập vô tuyến....................................................19
1.3.4 Các công nghệ chính trong hệ thống WCDMA .......................................23
1.3.4.1 Chế độ không đồng bộ ở trạm BS và định vị mã đường xuống ........23
1.3.4.2 Truyền dẫn với hệ số trải phổ biến đổi và trực giao ..........................24
1.3.4.3 Cấu hình điều khiển ...........................................................................24

1.3.4.4 Phương pháp truy nhập gói ................................................................25
1.3.4.5 Mã Turbo............................................................................................26
1.3.4.6 TPC - Điều khiển công suất phát .....................................................27
1.3.4.7 Truyền dẫn đa đường .........................................................................27
1.3.4.8 Ghép kênh phân chia theo tần số và thời gian TDD - FDD...............28
1.4 Chuẩn giao diện truy nhập vô tuyến................................................................28
1.4.1 Lớp vật lý..................................................................................................28
1.4.1.1 Kênh truyền tải...................................................................................28
1.4.1.2 Kênh vật lý .........................................................................................29
1.4.1.3 Ghép kênh truyền tải ..........................................................................32
1.4.1.4 Mã hóa kênh.......................................................................................33
1.4.1.5 Ánh xạ tốc độ .....................................................................................35
1.4.1.6 Chèn ...................................................................................................35
1.4.1.7 Trải phổ và điều chế...........................................................................35
1.4.1.8 Lệnh điều khiển công suất TPC .........................................................38
1.4.2 Điều khiển truy nhập lớp giữa - MAC.....................................................38
1.4.2.1 Kiến trúc lớp MAC ............................................................................39
1.4.2.2 Chức năng MAC ................................................................................40
1.4.2.3 Kênh logic ..........................................................................................41
1.4.3 Điều khiển liên kết vô tuyến - RLC..........................................................41
1.4.3.1 Kiến trúc lớp RLC..............................................................................42
1.4.3.2 Chức năng RLC .................................................................................42
1.4.4 Thủ tục hội tụ dữ liệu gói - PDCP ............................................................43
1.5 Kết luận ...........................................................................................................43


3

CHƯƠNG 2: QUY HOẠCH MẠNG DI ĐỘNG WCDMA ................................45
2.1 Giới thiệu.........................................................................................................45

2.2 Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến...............................................................47
2.2.1 Tổng quan phần Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến.............................47
2.2.1.1 Định nghĩa..........................................................................................47
2.2.1.2 Định cỡ mạng.....................................................................................48
2.2.1.3 Quy hoạch ..........................................................................................48
2.2.1.4 Vận hành và bước đầu tối ưu hóa ......................................................48
2.2.1.5 Hoạt động chính thức và tiếp tục tối ưu hóa ......................................49
2.2.1.6 Mở rộng..............................................................................................49
2.2.2 Các thông số đầu vào................................................................................49
2.2.2.1 Phân loại trạm cơ sở...........................................................................49
2.2.2.2 Các tham số phần cứng ......................................................................50
2.2.2.2.1: Độ nhạy thu ................................................................................50
2.2.2.2.2: Các tham số trạm gốc .................................................................50
2.2.2.2.3: Các tham số thiết bị dùng cuối...................................................52
2.2.2.3 Đặc trưng môi trường.........................................................................52
2.2.2.3.1 Phân loại môi trường ...................................................................52
2.2.2.3.2: Suy hao xuyên suốt ....................................................................53
2.2.4 Bản chất công nghệ ...............................................................................54
2.2.4.1 Bộ thu RAKE .................................................................................54
2.2.4.2 Hệ số trực giao ...............................................................................55
2.2.4.3 Tăng ích chuyển giao mềm ............................................................56
2.2.4.4 Yêu cầu chất lượng dịch vụ............................................................56
2.2.4.5 Tác động điều khiển công suất.......................................................57
2.2.3 Định kích cỡ mạng....................................................................................58
2.2.3.1 Dung lượng và vùng phủ....................................................................58
2.2.3.2 Mức độ bao phủ cell...........................................................................60
2.2.3.2.1 Độ tin cậy vùng phủ ....................................................................60
2.2.3.2.2 Công thức tải cho phân tích quỹ đường truyền ...........................62
2.2.3.2.3 Phân tích quỹ đường truyền ........................................................66
2.2.3.2.4 Tính toán khoảng cách các vị trí và vùng phủ ............................69

2.2.3.3 Dung lượng Erlang trong cell ............................................................70
2.2.3.3.1 Dung lượng cứng.........................................................................70
2.2.3.3.2 Dung lượng mềm.........................................................................71
2.2.4 Quy hoạch chi tiết.....................................................................................73
2.2.4.1 Khoảng cách vị trí và chiều cao anten ...............................................74
2.2.4.2 Địa điểm vị trí ....................................................................................77
2.2.4.3 Sectorisation.......................................................................................79
2.2.4.4 Hướng sector và anten .......................................................................82
2.2.5 Tối ưu hóa mạng .......................................................................................83
2.3 Quy hoạch chung cho các mạng thế hệ 2G và WCDMA................................84
2.4 Kết luận ...........................................................................................................86


4

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GIAO THOA ĐẾN DUNG
LƯỢNG VÀ VÙNG PHỦ TRONG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA .....................88
3.1 Giới thiệu.........................................................................................................88
3.2 Giao thoa trong WCDMA ...............................................................................89
3.2.1 Các loại giao thoa và ảnh hưởng của nó trong WCDMA.........................89
3.2.2 Xét giao thoa đa truy nhập ( Multiple Access Interference – MAI).........90
3.3 Mô hình truyền sóng trong WCDMA .............................................................92
3.3.1 Mô hình giải tích của việc truyền sóng.....................................................93
3.3.1 Một số mô hình truyền sóng thực nghiệm trong WCDMA......................93
3.3.1.1 Mô hình Hata-Okumura .....................................................................93
3.3.1.2 Mô hình Cost123- Walfisch-Ikegami ................................................95
3.3.1.3 Mô hình Hata sửa đổi – Modified Hata .............................................98
3.4 Khảo sát ảnh hưởng giao thoa đến dung lượng và vùng phủ ........................100
3.4 Giới thiệu phần mềm mô phỏng....................................................................104
3.5 Kết luận .........................................................................................................108

KẾT LUẬN CHUNG VÀ CÁC ĐỀ XUẤT.........................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................111
PHỤ LỤC ...............................................................................................................113


5

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AAA

Adaptive Antena Array

AICH

Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị truy nhập ngẫu nhiên

ALCAP

Access

Link

Mảng anten linh động

Control Giao thức điều khiển đoạn nối truy

Aplication Protocol

nhập


ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dị bộ

AUC

Authentication Centre

Trung tâm nhận thực

AUTN

Authentication Token

Thẻ nhận dạng mạng

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá


BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BMC

Broadcast/Multicast Control

Điều khiển quảng bá/đa phương

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station System

Hệ thống trạm gốc


CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển dùng chung

CCH

Common Channel

Kênh chung

CCPCH

Common
Channel

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi


CPCH

Common Packet Channal

Kênh gói dùng chung

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

C-Plane

Control Plane

Mặt phẳng điều khiển

CRC

Cyclic Redundancy Code

Mã vòng dư

CRNC

Controlling RNC

RNC điều khiển


CS

Circuit Switching

Chuyển mạch kênh

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng

DCH

Dedicated Channel

Kênh dành riêng

Control

Physical Kênh vật lý điều khiển chung


6

DPCCH

Dedicated Physical Control Kênh điều khiển vật lý riêng
Channel


DPCH

Dedicated Physical Channel

DPDCH

Dedicated
Channel

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dành riêng

DTX

Discontinuous transmission

Gián đoạn truyền dẫn

E0

Energy


Năng lượng bit thông tin

EIRP

Effective
Isotropically Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu
Radiated Power
dụng

ETSI

European Telecommunication Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu
Standard Institude

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correction


Phương pháp sửa lỗi trước - mã hóa
kênh

FER

Forward Error Rate

Tỷ lệ lỗi trước

GPRS

General Packet Radio System

Hệ thống vô tuyến gói chung

GSM

Group Special Mobile or
Global System for Mobile

Nhóm chuyên trách di động hay hệ
thống thông tin di động toàn cầu

GTP

Tunneling Protocol

Giao thức Tunel


IMT2000

International Mobile
Telecommunication – 2000

Thông tin di động toàn cầu -2000

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU

International

Liên minh viễn thông quốc tế

Physical

Kênh vật lý riêng

Data Kênh số liệu vật lý riêng

Telecommunication Union
Iub

Giao diện giữa RNC và node B


Iur

Giao diện giữa RNC và RNC

KPI

Key Performance Indicator

Bộ chỉ định hiệu năng chính


7

LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập đoạn nối

LLC

Logical Link Control

Điều khiển đoạn nối logic

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập lớp giữa


MAI

Multiple Access Interference

Giao thoa truy nhập đa đường

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động

MHA

Mast Head Amplifier

Khuếch đại đầu vào

MIL

Multistage InterLeaver

Chèn nhiều khung

MS

Mobile Station

Trạm di động


MTP

Message Transfer Part

Phần truyền bản tin

NMS

Network Management System Hệ thống quản lý mạng

OVSF

Orthogonal Variable
Spreading Factor

Hệ số trải phổ thay đổi và trực giao

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCCPCH 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 gói chung vật lý

PCS

Personal Communication
System

Hệ thống thông tin cá nhân

PDCP

Packet data converge protocol Thủ tục thu thập dữ liệu gói
Physical Downlink Shared

PDSCH

Channel

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống


PDU

Protocol data unit

Đơn vị dữ liệu thủ tục

PI

Performance Indicator

Bộ chỉ định hiệu năng

PICH

Paging Indication Channel

Kênh chỉ thị tìm gọi

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công cộng

PRACH

Physical Random Access
Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý


PS

Packet Switching

Chuyển mạch gói


8

PSCH

Physical Shared Channel

Kênh dùng chung vật lý

PSTN

Public Switched Telephone
Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ


RAB

Radio Access Bearer

Chuyển tiếp truy nhập vô tuyến

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RLB

Radio Link Budget

Quỹ đường truyền vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển đoạn nối vô tuyến


RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Hệ thống con mạng vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

SAP

Service Access Point

Điểm truy nhập dịch vụ


SC

Scrambling Code

Mã trộn

SCCPCH Secondary Common Control

Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp

Physical Channel
SCH

Synchronization Channel

Kênh đồng bộ

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SHO

Soft Handover

Chuyển giao mền

SIR


Signal Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SRNC

Servicing RNC

RNC phục vụ

TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng

TCP

Transmision Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TF

Transport Format

Khuôn dạng truyền tải

TP


Test Point

Điểm thử nghiệm

TPC

Transmit Power Control

Điều khiển công suất phát

TrCH

Transport Channel

Kênh truyền tải

Time-Switched Transmit

Truyền dẫn đa đường chuyển mạch

Diversity

thời gian

TSTD


9


UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS

Universal Mobile
Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

U-Plane

User Plane

Mặt phẳng người dùng

USIM

UMTS Subcriber Identity
Module

Module nhận dạng thuê bao UMTS

UTRAN

Universal Terrestrial Radio


Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Network

toàn cầu

WCDMA Wideband Code Division
Multiple Access

CDMA băng rộng


10

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Danh sách các kênh truyền tải .......................................................................29
Bảng 1.2: Danh sách các kênh vật lý .............................................................................31
Bảng 1.3: Bảng ánh xạ liên kết các kênh vật lý và truyền tải .......................................31
Bảng 2.1: Yêu cầu nhiễu máy thu cho trạm gốc sử dụng dịch vụ 12.2kbps..................51
Bảng 2.2: Công suất ra yêu cầu......................................................................................51
Bảng 2.3: Phân loại nhiễu xuyên phụ thuộc vào môi trường.........................................54
Bảng 2.4: Hệ số trực giao với các loại môi trường cho các cell macro .........................55
Bảng 2.5: Hệ số trực giao với các loại trạm gốc ............................................................56
Bảng 2.6: Hệ số trực giao với các đặc tính kênh cho cell macro...................................56
Bảng 2.7: Hệ số trực giao với các đặc tính kênh và số hướng thu của máy thu
RAKE cho cell macro ....................................................................................................56
Bảng 2.8: Một số ví dụ về yêu cầu Eb/No đối với kênh DTCH 64kbps........................57
Bảng 2.9: Các giá trị tính toán độ tin cậy vùng phủ cho các cell đối với các loại môi
trường .............................................................................................................................62
Bảng 2.10: Một ví dụ về phân tích quỹ đường truyền cho các dịch vụ thu phát với

tốc độ 64 kbps ................................................................................................................68
Bảng 2.11: Các mô hình truyền sóng và các ứng ụng của nó trong ước lượng giới
hạn cell ...........................................................................................................................70
Bảng 2.12: Ví dụ về khoảng cách site và độ cao anten với cell macro với các dịch
vụ 64kbps, mô hình truyền sóng COST 231 Hata .........................................................76
Bảng 3.1: Bảng tính toán thông số quỹ đường lên.......................................................101
Bảng 3.2: Bảng tính toán giao thoa phụ thuộc hệ số tải...............................................102
Bảng 3.3: Bảng tính toán vùng phủ đối với một số tốc độ dịch vụ với các hệ số tải
khác nhau......................................................................................................................102
Bảng 3.4: Bảng tính toán số người dùng tối đa trong cell ...........................................103
Bảng 3.5: Bảng tính toán kết quả tổng hợp của vùng phủ và số người dùng đối với
một số tốc độ dịch vụ khi hệ số tải thay đổi.................................................................104


11

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hiệu ứng ghép kênh thống kê ........................................................................17
Hình 1.2: Kiến trúc tổng quan phân hệ truy nhập vô tuyến hệ thống mạng WCDMA .19
Hình 1.3: Kiến trúc các thủ tục trong giao diện vô tuyến mạng WCDMA ...................21
Hình 1.4: Ánh xạ trong các kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý.........................23
Hình 1.5: Định vị mã đường xuống trong chế độ không đồng bộ BS ...........................23
Hình 1.6: Sơ đồ khái niệm của ký tự điều khiển và ghép dữ liệu..................................25
Hình 1.7: Tương thích truyền gói với kênh dùng chung và kênh dành riêng ................25
Hình 1.8: Kênh chia sẻ đường xuống.............................................................................26
Hình 1.9: Cấu trúc ghép kênh truyền tải ........................................................................32
Hình 1.10: Cấu hình mã xoắn ........................................................................................34
Hình 1.11: Cấu hình mã Turbo ......................................................................................34
Hinh 1.12: Trải phổ và điều chế cho các kênh dành riêng đường xuống ......................36
Hình 1.13: Cây mã trải phổ có hệ số thay đổi và trực giao............................................36

Hình 1.14: Trải phổ và điều chế cho các kênh dành riêng được lên..............................37
Hình 1.15: Sơ đồ khối lớp MAC....................................................................................39
Hình 1.16: Ánh xạ của kênh logic và kênh truyền tải....................................................41
Hình 2.1: Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA .............................................47
Hình 2.2: Ví dụ về hiệu năng của anten ba sector..........................................................80
Hình 2.3: Ví dụ về hiệu năng của anten sáu sector ........................................................81
Hình 2.4: Quá trình tối ưu hóa .......................................................................................83
Hình 3.1: Các tham số sử dụng trong mô hình Cost231 - Walfish - Ikegami ...............96
Hình 3.2: Giao diện chính chương trình ......................................................................105
Hình 3.3 Chức năng nhập tốc độ dữ liệu .....................................................................105
Hình 3.4: Các thông số đường truyền và chọn các mô hình tương ứng ......................106
Hình 3.5: Điều kiện đầu vào khi xét ảnh hưởng của giao thoa đến vùng phủ và dung
lượng mạng WCDMA..................................................................................................106
Hình 3.6: Kết quả tính toán chi tiết ảnh hưởng của giao thoa đến vùng phủ...............107
Hình 3.7: Kết quả tính toán chi tiết ảnh hưởng của giao thoa đến dung lượng ...........108


12

MỞ ĐẦU
Hệ thống di động tế bào tương tự được xem như là thế hệ thông tin di
động thứ nhất, tiếp theo đó, các hệ thống số hiện tại như GSM, PDC,
CDMAOne và US-TDMA được xem như thế hệ di động thứ hai. Các hệ
thống đó có khả năng cho việc liên lạc thoại, được xem là tiên phong trong
môi trường không dây, và các khách hàng đã bắt đầu đòi hỏi các dịch vụ gia
tăng khác, như là dịch vụ tin nhắn, dịch vụ truy cập mạng dữ liệu…
Thế hệ thông tin di động thứ ba được thiết kế cho các dịch vụ truyền
thông đa phương tiện, việc liên lạc giữa các người dùng được cải tiến với chất
lượng âm thanh và hình ảnh cao hơn, và việc truy nhập thông tin vào các
mạng công cộng hay mạng riêng cũng sẽ được cải tiến với tốc độ dữ liệu cao

hơn và mềm dẻo hơn… Thế hệ mạng này phát triển song song với việc tiếp
tục cải tiến nâng cao chất lượng mạng thế hệ thứ hai. Việc này tạo ra các cơ
hội kinh doanh mới, không những cho các nhà sản xuất thiết bị và các nhà
cung cấp dịch vụ, mà còn đối với các nhà cung cấp nội dung và ứng dụng sử
dụng các hệ thống đó.
Công nghệ WCDMA được xây dựng dựa trên các yêu cầu của thế hệ
mạng thứ ba nói trên. Các chỉ tiêu kỹ thuật của WCDMA được đưa ra bởi
3GPP, WCDMA được chuẩn hóa dựa trên các tiêu chuẩn của Châu Âu, Nhật
Bản, Hàn Quốc, Mỹ và Trung Quốc. WCDMA còn được gọi là UTRA
(Universal Terrestrial Radio Access) FDD (Frequency Divison Duplex) và
TDD (Time Division Duplex).
Bản luận văn với đề tài “Khảo sát ảnh hưởng của giao thoa đến
phạm vi phủ sóng trong quy hoạch mạng WCDMA ” bao gồm các nội
dung như sau
• Chương 1 - Tổng quan hệ thống thông tin di động WCDMA: Giới thiệu
tổng quan cấu trúc, các công nghệ kỹ thuật chính được dùng trong hệ
thống thông tin di động WCDMA. Xem xét giao diện truy nhập mạng
vô tuyến của mạng WCDMA.


13

• Chương 2 - Quy hoạch mạng WCDMA: Đi sâu vào phần quy hoạch
mạng truy nhập vô tuyến. Làm rõ chức năng, tầm quan trọng của việc
quy hoạch mạng WCDMA, xem xét các vấn đề trong quy hoạch mạng
WCDMA như là: các tham số đầu vào, định kích cỡ mạng, quy hoạch
chi tiết và tối ưu hóa mạng WCDMA.
• Chương 3 - Khảo sát ảnh hưởng của giao thoa đến vùng phủ và dung
lượng trong mạng WCDMA: Giới thiệu các loại hình giao thoa và ảnh
hưởng của nó trong mạng thông tin di động nói chung. Giới thiệu các

mô hình truyền sóng, đi vào xét chi tiết ảnh hưởng của giao thoa đối
với vùng phủ và dung lượng trong WCDMA.
Quá trình thực hiện luận văn chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết, tham khảo
các tài liệu về hệ thống thông tin di động WCDMA, và xây dựng phần mềm
mô phỏng tính toán ảnh hưởng của giao thoa đến vùng phủ và dung lượng của
mạng WCDMA. Luận văn không thể tránh khỏi các hạn chế nhất định. rất
mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý của các thầy cô, đồng nghiệp và những
người quan tâm để đề tài này ngày càng được chính xác và hữu dụng hơn.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Viễn thông, Trung tâm sau đại
học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời
gian học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ Nguyễn Phương đã tận tình hướng dẫn
và chỉ bảo trong suốt thời gian viết luận văn tốt nghiệp để tôi có thể hoàn
thành bản luận văn này!
Hà Nội, Tháng 10 năm 2007
Học viên

Đào Yên Trung


14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
WCDMA
1.1 Giới thiệu
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) có khả năng truyền thoại
trong môi trường không dây. Hơn thế nữa, nó đã được chuẩn hóa, tích hợp với
các thiết bị viễn thông của thế hệ thông tin tương tự trước đó. Các đặc điểm
này giúp thế hệ thứ hai phát triển nhanh chóng, rộng rãi trên toàn thế giới.
Các mạng di động này trở thành trung tâm của các loại hình truyền thông để

thay thế cho các mạng có kích thước lớn trước đó mà bản thân nó không đáp
ứng khi yêu cầu phục vụ lớn.
Mạng thế thế thứ ba (3G) có thể cho phép tốc độ sử dụng dịch vụ biến
đổi khác nhau, đó là sự độc lập giữa kiến trúc phần truy nhập vô tuyến và
phần nền dịch vụ sử dụng. Người dùng có thể được sử dụng băng tần rộng với
các dịch vụ chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói bằng một kỹ thuật nâng
cao tốc độ tín hiệu vô tuyến gọi là WCDMA – Ghép kênh phân chia theo mã
băng rộng. Tốc độ bit biến đổi và lưu lượng biến đổi tại giao diện vô tuyến
không những đưa ra được các khả năng mới cho cả nhà cung cấp dịch vụ mà
còn đưa ra sự thách thức trong việc xây dựng, quy hoạch và tối ưu hóa mạng
Trong chương này, chúng ta sẽ xét tổng quan về cấu trúc hệ thống
WCDMA, các công nghệ chính sử dụng trong WCDMA, và xem xét về cấu
trúc phần giao diện vô tuyến của hệ thống.
1.2 Yêu cầu phân hệ vô tuyến
Theo các yêu cầu của tổ chức IMT-2000, hệ thống thông tin di động
phải đáp ứng được các tính mềm dẻo, kinh tế và các điều kiện về tốc độ dữ
liệu đa dạng. Yêu cầu hiệu năng tối thiểu về tốc độ truyền là 2 Mbps đối với
môi trường trong nhà, 384kbps đối với người đi bộ, 144kbps với người di
chuyển bằng xe ô tô. Với phân hệ vô tuyến WCDMA, để thực hiện tốt hơn so
với các yêu cầu trên, các đề xuất về giao diện vô tuyến, là các tiêu chí hàng
đầu được quan tâm để phát triển và chuẩn hóa hệ thống. WCDMA được phê
chuẩn như là một trong các giao diện vô tuyến được khuyến nghị sử dụng


15

trong ITU với công nghệ DS-CDMA. Trong thực tế, công nghệ này đã được
phát triển rộng ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á.
Đối với một hệ thống dịch vụ, mục tiêu chính là cung cấp đầy đủ các
dịch vụ có đặc điểm của truyền thông đa phương tiện. Khả năng truyền dẫn

dữ liệu tốc độ cao là một chìa khóa để mục tiêu trên trở thành hiện thực. Với
các yêu cầu của IMT-2000 như là: giao diện vô tuyến và phân hệ này phải có
khả năng cung cấp dịch vụ có tốc độ dữ liệu thay đổi, cung cấp đa dịch vụ
đồng thời, sử dụng chuyển mạch gói cũng như chuyển mạch kênh. Và
WCDMA là một phương pháp hiệu quả để có thể xây dựng một hệ thống hội
tụ được các yêu cầu trên.
Chưa xét đến các khía cạnh khác thì hiệu quả việc sử dụng cùng tần số
là một trong những ảnh hưởng lớn trong thông tin di động. Đây là một vấn đề
cần được quan tâm để nâng cao tốc độ dữ liệu thông tin.
Quy định dải tần số của IMT-2000 là 2Ghz, tần số này cao hơn so với
thế hệ di động thứ 2 (800Mhz). Về mặt lý thuyết, có nhiều khó khăn khi xây
dựng các cell có bán kính lớn bởi vì hiệu ứng suy giảm tín hiệu. Ngoài ra, các
yêu cầu liên quan đến thiết kế là rất chặt chẽ, nhiều thông tin cần được truyền
trong quá trình cung cấp các dịch vụ dữ liệu cao, nó làm tăng yêu cầu công
suất phát. Vì lý do này, trong việc quá trình thiết kế và phát triển, vấn đề tần
số trở thành một chủ đề quan trọng để xây dựng được một hệ thống có hiệu
quả về kinh tế, và đảm bảo vấn đề phủ sóng với số lượng các trạm BS có thể
ít hay nhiều hơn của hệ thống sử dụng băng tần 800Mhz
1.3 WCDMA và cấu trúc hệ thống
1.3.1 Các đặc tính của hệ thống WCDMA
• Nâng cao khả năng sử dụng tần số
Theo nguyên lý, khả năng của dung lượng hệ thống cần được đảm bảo
đồng nhất ngay cả khi sử dụng công nghệ TDMA và FDMA. Trong khi công
nghệ CDMA được đòi hỏi có một hiệu quả cao trong việc sử dụng tần số,
CDMA có thể có được điều này với bộ điều khiển công suất phát, trong khi
TDMA đưa ra giải pháp gán kênh động phức tạp để có được hiệu quả tương


16


ứng. Sử dụng công nghệ cơ bản của CDMA là cách tốt để có được hệ thống
hiệu quả cao đối về vấn đề sử dụng tần số.
• Không cần quản lý tần số:
CDMA cho phép các ô kề nhau sử dụng chung một tần số, và không
cần có kế hoạch phân chia tần số. Trong khi đó, FDMA và TDMA đều yêu
cầu các kế hoạch phân chia tần số. Có nhiều vấn đề rắc rối khi giải quyết bài
toán phân chia tần số, bởi vì đối với các trạm được phân chia tần số sử dụng
trên lý thuyết thì vấn đề xác định sự suy giảm tín hiệu theo dạng địa hình cần
được quan tâm xem xét. Vấn đề này sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả sự dụng tần
số của hệ thống.
• Công suất phát của trạm di động thấp:
CDMA có thể nâng cao khả năng nhận tín hiệu và qua đó làm giảm
công suất phát của thiết bị đầu cuối bởi việc sử dụng bộ thu công nghệ
RAKE. Năng lượng cần thiết để truyền một bit thông tin trong CDMA là nhỏ
hơn nhiều so với TDMA, điều này dẫn tới một đặc điểm khác của CDMA là
ảnh hưởng của từ trường sẽ nhỏ đi rất nhiều.
• Tài nguyên sử dụng độc lâp trong đường lên và đường xuống
Trong CDMA, rất dễ để cấu hình tốc độ đường lên và đường xuống
không đối xứng. Trong khi đó, ở các công nghệ khác, điều này là rất khó
khăn. Ví dụ trong TDMA, rất khó để gán các khe thời gian cho đường lên và
đường xuống của một người dùng độc lập với người dùng khác, còn trong
FDMA, điều này cũng gặp nhiều khó khăn vì băng thông sóng mang của
đường lên và đường xuống sẽ phải bị thay đổi. Trái với các công nghệ trên,
CDMA sử dụng hệ số trải phổ - SF, nó cho phép cài đặt độc lập tốc độ theo
hai hướng của một người dùng. Vấn đề ở đây là việc sử dụng hiệu quả tài
nguyên vô tuyến với phương pháp tải bất đối xứng như trong truy cập
Internet. Khi không có kết nối, thì không cần tài nguyên vô tuyến, vì thế, nếu
một người thực hiện kết nối hướng lên, và một người khác thực hiện kết nối
hướng xuống, thì tài nguyên vô tuyến được dùng là tương đương với một cặp
của hướng lên và hướng xuống. Thông thường, TDMA và FDMA được gán

hai cặp tài nguyên vô tuyến cho hai người dùng.


17

Đặc tính băng rộng trong WCDMA cho phép sử dụng hiệu quả tốt
các đặc điểm sau:
• Giới hạn rộng của tốc độ dữ liệu:
Băng rộng cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. Hơn nữa, nó cho
phép cung cấp các dịch vụ hiệu quả khi có sự kết hợp của dịch vụ tốc độ thấp
và dịch vụ tốc độ cao.
• Giải quyết vấn đề nâng cao hiệu ứng thu đa đường:
Kỹ thuật thu RAKE cho phép nâng cao chất lượng tín hiệu thu từ các
đường riêng biệt. Băng rộng cho phép giải quyết vấn đề suy giảm tín hiệu trên
đường truyền, công suất thu yêu cầu không cần cao bởi vì hiệu ứng thu đa
đường làm tăng số đường thu. Điều này giúp giảm công suất phát.
• Hiệu ứng ghép kênh thống kê - Statistical Multiplexing Effect:
Hệ thống băng rộng tăng số lượng người dùng được ghép kênh trên mỗi
sóng mang. Do đó, dung lượng hệ thống tăng như một hiệu ứng ghép kênh
thống kê.

Hiệu ứng ghép kênh thống kê

Hệ số thoại – 0.4

Suy hao 0.1%

Dung lượng

Hình 1.1: Hiệu ứng ghép kênh thống kê



18

Hình trên chỉ ra các đặc tính của hiệu ứng ghép kênh thống kê. Hiệu
ứng này sẽ tăng 30% khi số lượng người dùng trên một sóng mang tăng từ 25
lên 100. Đặc tính này hiển nhiên liên quan đến thông tin dữ liệu tốc độ cao:
Hiệu năng giảm trong băng hẹp, khi số lượng kênh dự phòng cho mỗi sóng
mang là giới hạn, trong khi đó, đối với truyền dẫn băng rộng, hiệu năng này
tăng vì ứng dụng ghép kênh thống kê
• Giảm tỷ lệ thu không liên tục – Reduced Intermittent Reception Rate :
Hệ thống băng rộng làm tăng tỷ lệ bit trong kênh điều khiển, điều này
tạo ra khả năng giảm tỷ lệ đứt quãng khi thu tín hiệu, và máy thu có thể thu
được tín hiệu giới hạn khi đang ở chế độ nhàn rỗi hoặc tiết kiệm năng lượng,
Điều này kéo dài thời gian standby của trạm di động.
1.3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của WCDMA
Ban đầu, Viện Tiêu Chuẩn Viễn Thông Châu Âu (ETSI) tán thành dùng
hệ thống vô tuyến trung tâm với sóng mang tần số 5Mhz, và nó bao gồm cả
các sóng mang 10Mhz và 20Mhz. Dự án Hiệp Hội Thế Hệ thứ 3 (3GPP) tập
trung hoàn thành các tiêu chí kỹ thuật cho băng tần 5Mhz, và bỏ qua các băng
tần khác. Có thể nhận xét rằng thực tế tần số sóng mang 5Mhz là đủ để có
được tốc độ truyền dẫn 2Mbps, cho dù với băng tần 20Mhz thì có nhiều hiệu
quả hơn cho dữ liệu truyền với tốc độ 2Mbps, cũng không được 3GPP xem
xét chọn lọc. Vì thế, các thông số của 3GPP cũng như các chuẩn của AIRB và
ETSI hiện nay chỉ xét cho dải băng tần 5Mhz
Chế độ cận đồng bộ được áp dụng trong các trạm BS, Vấn đề đồng bộ
không được yêu cầu tuyệt đối giữa tất cả các trạm BS, điều này cho phép sự
phát triển mềm dẻo của hệ thống BS. Tuy nhiên, theo thiết kế, chế độ đồng bộ
vẫn có thể được ứng dụng giữa các BS khi cần thiết
Độ dài khung cơ sở là 10ms

Dữ liệu được điều chế với kỹ thuật QPSK cho đường xuống và BPSK
cho đường lên. HPSK được áp dụng trong điều chế phổ đường lên. Việc tách
sóng dựa trên ký tự điều khiển và bộ tách sóng nhất quán. Ở đường xuống, ký
tự điều khiển được ghép kênh theo thời gian, việc này làm giảm thiểu độ trễ


19

trong thủ tục điều khiển phát TCP và làm đơn giản hóa mạch thu tại MS. Ở
đường lên, ký tự điều khiển được trải phổ với mã trải phổ khác với dữ liệu.
Việc này đảm bảo vấn đề phát sóng liên tục ngay cả khi tốc độ truyền thay
đổi. Đây còn là một phương pháp làm giảm ảnh hưởng của từ trường và giảm
các yêu cầu của bộ khuếch đại truyền dẫn trong máy di động.
Hệ số trải phổ biến đổi được áp dụng để có được truyền dẫn đa tốc độ.
Ở đường xuống, hệ số trải phổ trực giao được áp dụng.
Mã xoắn được dùng trong mã hóa kênh, trong dữ liệu tốc độ cao, mã
turbo được áp dụng.
Ký tự điều khiển chuyên biệt được sử dụng làm tăng hiệu quả cho vòng
lặp đóng nhanh TCT ở đường xuống. Thêm vào đó, ký tự điều khiển chung
cho việc giải điều chế trong kênh dùng chung, có thể được dùng để giải điều
chế cho kênh dùng riêng.
1.3.3 Kiến trúc của mạng truy nhập vô tuyến

Mạng lõi

Mạng truy nhập vô tuyến (RAN)

Hình 1.2: Kiến trúc tổng quan phân hệ truy nhập vô tuyến hệ thống mạng WCDMA

Mạng truy nhập vô tuyến RAN – Radio Access Network – bao gồm:

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC – Radio Netword Controller và node B,
được nối với hệ thống mạng chuyển mạch mạng lõi thông qua giao diện Iu


20

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC phụ trách việc quản lý tài nguyên
vô tuyến và điều khiển Node B. Ví dụ, nó tác động đến việc điều khiển
chuyển giao. Node B giữ vai trò như một điểm logic trong việc thu phát vô
tuyến, nó tương tự như BTS. Giao diện giữa node B và RNC là Iub. Giao diện
giữa các RNC là Iur. Đây là giao diện logic, và có thể thiết lập kết nối vật lý
giữa các RNC. Tuy nhiên, các phưong pháp truyền dẫn khác có thể được áp
dụng. giống như kết nối vật lý thông qua mạng lõi CN – Core Network.
Node B có thể có một hoặc nhiều cell. Node B kết nối với thiết bị đầu
cuối thông qua giao diện vô tuyến.


21

Hình 1.3: Kiến trúc các thủ tục trong giao diện vô tuyến mạng WCDMA

Lớp 1: Lớp vật lý
Lớp 2: Lớp liên kết dữ liệu
Lớp 3: Lớp mạng
Lớp 2 có thể chia thành 2 lớp con:
o Lớp MAC – Medium Access Control
o Lớp RLC – Radio Link Control: Lớp này đóng vai trò như một
lớp chuyển tiếp
Mặt phẳng điều khiển C-Plane (Control Plane) dành cho việc chuyển
tiếp tín hiệu điều khiển, trong khi mặt phẳng người dùng U-Plane (User

Plane) đóng vai trò chuyển tiếp thông tin người dùng. Thủ tục hội tụ dữ liệu
gói PDCP (Packet Data Convergence Protocol) và Điều khiển Quảng bá BMC
(Broadcast/Multicast Control) của lớp 2 chỉ có thể ứng dụng cho mặt phẳng
người dùng.
Lớp 3 bao gồm giới hạn quản lý tài nguyên vô tuyến RRC (Radio
Resource Control) tại RAN và các giới hạn cao hơn tại mạng lõi, ví dụ phần
điều khiển cuộc gọi, phần Quản lý di động. Phần này tập trung giới thiệu về
giao diện truy nhập vô tuyến, vì thế chúng ta chỉ quan tâm đến phần RRC
trong lớp 3.


22

Để có thể thực hiền mềm dẻo các nhiều loại dịch vụ và khả năng đa
cuộc gọi, giao diện vô tuyến được cấu hình trên cơ sở ba lớp của các kênh:
Kênh vật lý, kênh truyền tải và kênh logic.
Các vòng Elip trên hình 1.3 chỉ ra các điểm truy nhập dịch vụ SAP
(Service Access Point) giữa các lớp hoặc các lớp con.
SAP giữa RLC và MAC xem như các kênh logic, các kênh logic được
cung cấp từ lớp con MAC tới lớp con RLC. Kênh logic được phân loại dựa
vào chức năng truyền dẫn tín hiệu và các đặc tính logic của chúng, và được
mô tả bằng nội dung của thông tin được phát đi.
SAP giữa RLC và lớp vật lý L1 xem như là các kênh truyền tải, kênh
truyền tải được ứng dụng từ lớp vật lý vào lớp con MAC. Kênh truyền tải
được phân loại dựa trên định dạng truyền dẫn và được mô tả phụ thuộc vào
loại thông tin và cách mà thông tin đó chuyển qua giao diện vô tuyến.
Các kênh vật lý được phân loại với chức năng của các lớp vật lý đó, và
nó được nhận dạng bằng mã trải phổ và tần số sóng mang, trong trường hợp
đường lên, đó là các điều chế pha (I phase, Q phase).
Ghép kênh và truyền nhiều kênh trên các kênh vật lý có thể có dữ liệu

của nhiều người dùng cùng với thông tin điều khiển, ghép kênh kết hợp với đa
truy nhập. Hơn nữa, liên kết nhiều kênh logic trên một kênh truyền tải có thể
tạo hiệu quả truyền dẫn. Ánh xạ của kênh truyền tải tới kênh vật lý thực hiện
tại lớp vật lý, trong khi đó, ánh xạ của kênh logic tới kênh truyền tải diễn ra
trong lớp con MAC.
Kênh vật lý dành riêng (DPCH) bao gồm kênh dữ liệu vật lý dành riêng
(DPDCH) và kênh điều khiển vật lý dành riêng (DPCCH). DPDCH là kênh
truyền dữ liệu, trong khi DPCCH được gán vào DPDCH để thực hiện điều
khiển lớp 1 như là TPC. Các kênh vật lý ở hình 1.4 bao gồm Kênh đồng bộ
(SCH), Kênh Pilot chung (CPICH). SCH được dùng để tìm kiếm cell. CPICH
là một kênh dùng cho truyền ký tự Pilot để giải điều chế các kênh dành riêng
cũng như các kênh dùng chung. AICH được dùng trong truy cập ngẫu nhiên.
PICH được áp dụng để nâng cao tốc độ bị ngắt quãng giữa các thiết bị đầu
cuối trên việc truyền tín hiệu tìm gọi


23

Kênh quảng bá

Kênh điều khiển quảng bá

Kênh điều khiển vật lý chung sơ cấp

Kênh truy nhập hướng lên

Kênh điều khiển vật lý chung thứ cấp

Kênh tìm gọi


Kênh điều khiển tìm gọi

Kênh truy cập vật lý ngẫu nhiên

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

Kênh điều khiển chung

Kênh vật lý dành riêng

Kênh dành riêng

Kênh điều khiển riêng

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống

Kênh chia sẻ đường xuống

Kênh lưu lượng dành riêng

Kênh vật lý

Kênh giao vận

Kênh logic

Hình 1.4: Ánh xạ trong các kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý

1.3.4 Các công nghệ chính trong hệ thống WCDMA
1.3.4.1 Chế độ không đồng bộ ở trạm BS và định vị mã đường xuống


Hình 1.5: Định vị mã đường xuống trong chế độ không đồng bộ BS

Chế độ cận đồng bộ được áp dụng khi không có sự cần thiết đồng bộ
chính xác giữa các trạm BS. Chế độ này được chọn nhằm đảm bảo rằng dễ
dàng phát triển một cách liên tục, liền mạch vùng phủ của BS từ trong nhà
đến ngoài trời.
Hình 1.5 mô tả định vị các mã trải phổ đường xuống cho hệ thống
không đồng bộ. Hai tập mã trải phổ được sử dụng: Mã trộn (scrambling) và


24

mã kênh (channelization). Mã trộn là mã được gán vào mỗi cell với mục đích
nhận dạng cell, với độ dài khung là 10ms (dài hơn mã kênh) và xử lý các tín
hiệu giao thoa từ các cell khác. Mã kênh dùng nhận dạng người dùng, đây là
một tập các mã được trực giao với nhau ở trong mỗi cell.
Ở chế độ đồng bộ, một mã tương ứng mã trộn được gán cho mỗi cell
theo kiểu ghép theo thời gian, mỗi thời điểm sẽ gán một mẫu mã duy nhất.
Ngược lại, chế độ không đồng bộ cho phép gán nhiều mã trộn, trong trường
hợp này, các US sẽ linh động dò tìm ra cell nào mà nó đang ở trong vùng
phục vụ.
1.3.4.2 Truyền dẫn với hệ số trải phổ biến đổi và trực giao
Với mục đích cung cấp dịch vụ đa phương tiện, hệ thống phải đảm bảo
chất lượng ngay cả khi có sự kết hợp giữa các dịch vụ có tốc độ biến đổi, giới
hạn tốc độ dữ liệu từ thấp đến cao. Ở đường xuống. mã trải phổ có hệ số trải
phổ thay đổi và trực giao được áp dụng, các mã này trực giao với nhau cho dù
hệ số trải phổ là khác nhau. Việc này cho phép sử dụng được các dịch vụ có
tốc độ dữ liệu thay đổi thông qua các kênh truyền bằng cách chúng trực giao
với nhau

1.3.4.3 Cấu hình điều khiển
Ký tự điều khiển hỗ trợ bộ tách sóng nhất quán được áp dụng cho cả
đường lên và đường xuống. Ký tự điều khiển được ghép kênh theo thời gian
với dữ liệu ở đường xuống, nó làm giảm độ trễ trong TPC và làm đơn giản
hóa xử lý phía máy thu. Ở đường lên, dữ liệu được ghép kênh I/Q với ký tự
điều khiển, tức là dùng điều chế BPSK, được kết hợp tại pha bằng 0 và Pi/2.
Điều này tạo ra truyền dẫn đường lên có tốc độ biến đổi liên tục và không tắc
nghẽn