4 7 16 ứng dụng các dsp khả trình trong 3g

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Giới thiệu

Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm Công nghệ vào thời điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ Các thiết bị còn khá cồng kềnh và công nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố

Vào năm 1930 đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM, được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai Sự phát triển này kéo dài đến cả thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số thành phố lớn Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại.

Hình 1.1 trình bày tóm tắt lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 3G Để tiến tới thế hệ ba, thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai đoạn này được gọi là 2,5G.

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động

Bảng 1.3: Một số nét chính của nền tảng công nghệ thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba.

Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích

Tiếng thoại FDMA, tương tự

Chủ yếu cho thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn

TDMA hoặc CDMA, số, băng hẹp (8-13Kbit/s)

Trước hết là tiếng thoại có đưa thêm các dịch vụ số liệu gói

TDMA (kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số), CDMA, sử dụng chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, tăng cường truyền số liệu gói cho thế hệ hai

Các dịch vụ tiếng và số liệu gói được thiết kế để truyền tiếng và số liệu đa phương tiện là nền tảng thực sự của thế hệ ba.

CDMA, CDMA kết hợp TDMA, băng rộng (tới 2 Mbit/s), sử dụng chồng lấn lên thế hệ hai hiện có nếu không sử dụng phổ tần mới

Các mô hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 3G

1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 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 1.2 cho thấy ví dụ về một kiến trúc tổng quát của thông tin di động 3G kết hợp cả

CS và PS trong mạng lõi.

Hình 1.2: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3

Hình 1.3 cho thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP phát hành 1999 (Tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS ).

Hình 1.3: Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999

Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di dộng MSC và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ SGSN Các kênh thoại và số liệu chuyển mạch gói được kết nối với các mạng ngoài qua trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng GMSC và GGSN Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng IWF Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và các nút chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di động như HLR, AUC, EIR.

Mạng truy nhập vô tuyến chứa các phần tử sau:

- RNC: Radio Network Controller, bộ điều khiển mạng vô tuyến đóng vai trò như BSC ở các mạng thông tin di dộng.

- Nút B đóng vai trò như các BTS ở các mạng thông tin di động.

- UE: User Equipment, thiết bị người sử dụng.

UE bao gồm thiết bị di động ME và modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM). USIM là vi mạch chứa một số thông tin liên quan đến thuê bao cùng với khoá bảo an (giống SIM ở GSM) Giao diện giữa UE và mạng được gọi là Uu Trong các quy định của 3 GPP, trạm gốc được gọi là nút B Nút B được nối đến một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC RNC điều khiển các tài nguyên vô tuyến của các nút B được nối với nó RNC đóng vai trò giống như BSC ở GSM RNC kết hợp với các nút B nối với nó được gọi là hệ thống con mạng vô tuyến RNS Giao diện giữa nút B và RNC gọi là giao diện Iub Khác với giao diện Abis tương đương ở GSM, giao diện Iub được tiêu chuẩn hoá hoàn toàn và để mở, vì thế có thể kết nối nút B của một nhà sản xuất này với RNC của nhà sản xuất khác.

Khác với ở GSM, các BSC trong mạng W-CDMA không nối với nhau, trong mạng truy nhập vô tuyến của UMTS (UTRAN) có cả giao diện giữa các RNC Giao diện này được gọi là Iur có tác dụng hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển giao giữa các nút B nối đến các RNC khác nhau Báo hiệu Iur hỗ trợ chuyển giao.

UTRAN được nối đến mạng lõi qua giao diện Iu Giao diện Iu có hai phần tử khác nhau: Iu-CS và Iu-PS Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch kênh được thực hiện qua giao diện Iu-CS, giao diện này nối RNC đến một MSC/VLR Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch gói được thực hiện qua giao diện Iu-PS, giao diện nay nối RNC đến một SGSN.

Từ hình 1.3 ta thấy rằng tất cả các giao diện ở UTRAN của 3GPPP phát hành

1999 đều được xây dựng trên cơ sở ATM ATM được chọn vì nó có khả năng hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau (như tốc độ bít khả biến cho các dịch vụ trên cơ sở gói và tốc độ bít không đổi cho các dịch vụ chuyển mạch kênh) Mặt khác mạng lõi sử dụng cùng một kiến trúc cơ sở như kiến trúc của GSM/GPRS, nhờ vậy công nghệ mạng lõi có thể hỗ trợ công nghệ truy nhập vô tuyến mới Chẳng hạn nâng cấp mạng lõi hiện có để hỗ trợ UTRAN sao cho một MSC có thể nối đến cả UTRAN RNC và GSM BSC.

Trong thực tế các tiêu chuẩn UMTS cho phép hỗ trợ chuyển giao cứng từ UMTS đến GSM và ngược lại Đây là một yêu cầu rất quan trọng vì cần có thời gian để triển khai rộng khắp UMTS nên sẽ có khoảng trống trong vùng phủ của GSM Nếu UTRAN và GSM BSS được nối đến các MSC khác nhau, chuyển giao giữa các hệ thống đạt được bằng cách chuyển giao giữa các MSC Nếu giả thiết rằng nhiều chức năng của MSC/VLR giống nhau đối với UMTS và GSM, MSC cần phải có khẳ năng hỗ trợ đồng thời cả hai kiểu dịch vụ Tương tự hoàn toàn hợp lý khi giả thiết rằng SGSN phải có khả năng hỗ trợ đồng thời kết nối Iu-PS đến RNC và Gb đến GPRS BSC.

Trong hầu hết sản phẩm của các nhà sản xuất, nhiều phần tử mạng đang được nâng cấp để hỗ trợ đồng thời GSM/GPRS và UMTS Các phần tử mạng này bao gồm MSC/VLR, HLR, SGSN và GGSN Đối với nhiều nhà sản xuất, các trạm gốc được triển khai cho GSM/GPRS đã được thiết kế để có thể nâng cấp chúng hỗ trợ cho cả GSM và UMTS Đối với mốt số nhà sản xuất BSC được nâng cấp để hoạt động như cả GSM BSC và UMTS RNC Tuy nhiên cấu hình này rất hiếm Yêu cầu các giao diện và các chức năng khác nhau (như chuyển giao mềm) của UMTS RNC chứng tỏ rằng công nghệ của nó hoàn toàn khác với GSM BSC Vì thế thông thường ta thấy các UMTS RNC và GSM BSC tách biệt.

1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5

Sau kiến trúc 3GPP phát hành 1999 là 3GPP phát hành 4 Sự khác nhau cơ bản giữa phát hành 1999 và phát hành 4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố được đưa vào Bước phát triển tiếp theo của UMTS là kiến trúc mạng đa phương tiện IP phát hành 5 (hình 1.4).

Hình 1.4: Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP

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.

Từ hình 1.4 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MWG riêng.

Ta cũng thấy một số phần tử mạng mới như:

- Chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi CSCF

- Chức năng tài nguyên đa phương tiện MRF

- Chức năng điều khiển cổng các phương tiện MGCF

- Cổng báo hiệu truyền tải T-SGW

- Cổng báo hiệu chyển mạng R-SGW

Một đặc điểm quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một tác nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều.

CSCF quản lý việc thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng Nó bao gồm các chức năng như: biên dịch và định tuyến CSCF hoạt động như một đại diện Server / hộ tịch viên.

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS và UMTS phát hành 1999 và 4 Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn) Vì thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN hoặc ít nhất ở các bộ định tuyến kết nối trực tiếp với chúng.

Các DSP khả trình trong hệ thống thông tin di động 3G

Khi hệ thống thông tin di động càng phát triển, nhu cầu về các dịch vụ thoại, số liệu, đa phương tiện ngày càng tăng Đòi hỏi hệ thống phải có dung lượng lớn, vùng phủ rộng, tăng tốc độ tính toán và khả năng xử lý thông tin. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng các dụng vụ thông tin di động tăng yêu cẩu hệ thống thông tin di động, và các thiết bị trong hệ thống không ngừng phát triển và ngày càng hoàn thiện Sự phát triển của hệ thống thông tin di động phải tiến hành đồng thời cả mạng lõi, mạng truy nhập, và các máy cầm tay MS Để thỏa mãn sự phát triển đó cần phải có các bộ xử lý dung lượng lớn, tốc độ cao, tăng cường tính mềm dẻo của hệ thống Nhờ các DSP (Digital Signal Proccessor) khả trình mà các hệ thống thông tin di động ngày càng được hoàn thiện về mọi mặt. Đồ án tập trung nghiên cứu ứng dụng của DSP khả trình trong mạng truy nhập, từ đó đưa ra một số phương án thiết kế mô hình ứng dụng DSP khả trình Nội dung chính gồm phần: Ứng dụng DSP khả trình trong máy cầm tay hai chế độ (2G và 3G), trong trạm thu phát gốc 3G, và trong xử lý dàn anten.

Trong đồ án tập trung giới thiệu các DSP họ TMS320Cxx của TI Trong đó có các DSP tiêu biểu là: TMS320C54x, TMS320C55x, TMS320C6x (TMS320C64 TM , TMS320C6416) Đây là các DSP tiêu biểu được sử dụng phổ biến trong hệ thống 3G, và trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số.

CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ (2G và 3G)

Giới thiệu

Từ giữa những năm 1990 rất nhiều công ty trên toàn thế giới đã nỗ lực nghiên cứu và đưa ra các tiêu chuẩn vô tuyến di động thế hệ 3 (3G) Các hệ thống 3G sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ: từ thoại và số liệu tốc độ thấp tới các dịch vụ tốc độ số liệu cao lên tới 144Kbps trong các môi trường ngoài trời cho xe cộ, 384Kbps trong các môi trường ngoài trời cho người đi bộ, và 2Mbps trong các môi trường trong nhà Cả 2 dịch vụ chuyển mạch kênh và gói với các nhu cầu chất lượng dịch vụ thay đổi đều được hỗ trợ.

Việc thiết kế các modem 3G có các thách thức chính là: việc xử lý tín hiệu được thực hiện bởi giao diện không gian cơ sở CDMA với tốc độ chip 3,84Mcps (cho chế độ FDD DS), các nhu cầu tốc độ số liệu cao, các dịch vụ tốc độ biến đổi và đa tốc độ cần phải được hỗ trợ đồng thời Do các nhu cầu dịch vụ biến đổi - thoại đầu cuối tốc độ thấp tới số liệu tốc độ cao nên sự mềm dẻo của thiết kế là điều bắt buộc.

Trong viễn thông, một máy di động “đa chế độ” có thể hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn viễn thông khác nhau với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau Ví dụ như, các hệ thống di động băng tần kép GSM+DSC không được xem như các máy di động đa chế độ bởi vì chúng sử dụng cùng công nghệ truy nhập vô tuyến và chỉ khác nhau về tần số Bằng việc tìm hiểu nguồn gốc của hệ thống hai chế độ, chúng ta tìm thấy hai nhân tố ảnh hưởng chính.

Nhân tố ảnh hưởng từ các nhà khai thác: Khi ESTI phát triển các đặc điểm kỹ thuật của GSM, tổ chức này đã không mong đợi hệ thống di động thế hệ 2 (2G) có thể tương thích trở lại với hệ thống tương tự 1G Điều này là chấp nhận được bởi vì số lượng người sử dụng 1G so với số lượng người dự đoán sử dụng 2G là không đáng kể.

Mặt khác, vào những năm 1980, khá dễ dàng để số lượng nhỏ các quốc gia thành viên Châu Âu đồng ý về một công nghệ truy nhập vô tuyến duy nhất bởi vì khi đó không nước nào có sẵn một mạng tổ ong số, do đó không có nhu cầu về tính tương thích Nhưng khi thành công của GSM vượt ra ngoài Châu Âu thì một số nhà khai thác đã quyết định ghép các tiêu chuẩn khác với GSM Các ví dụ chính là GSM+DECT, GSM+AMPS, và GSM+ICO Tuy nhiên, các phân hệ kép như vậy không tương thích tốt nên không cho phép một sự tích hợp tốt giữa việc hạ chi phí và giảm kích thước Vì vậy, các cặp tiêu chuẩn đó không cho phép chuyển giao liên tục.

Nhân tố ảnh hưởng từ các tổ chức chuẩn hóa: Mục đích của dự án hợp tác 3G

(3GPP) là xây dựng một tiêu chuẩn quốc tế với tham vọng rằng một máy di động có thể sử dụng được ở bất kì nơi nào trên trái đất Giải pháp tốt nhất là đồng thuận trên một công nghệ truy nhập vô tuyến duy nhất cho tất cả các quốc gia trên thế giới Đáng tiếc, điều này là không thể thực hiện bởi vì rất khó tìm một công nghệ truy nhập vô tuyến duy nhất có thể tương thích trở lại với tất cả các công nghệ truy nhập vô tuyến 2G khác nhau đã được sử dụng bởi hàng tỷ khách hàng trên khắp thế giới Giải pháp tốt nhất mà 3GPP tìm ra để tương thích trở lại với 2G và cho phép chuyển mạng toàn cầu là lựa chọn một số công nghệ truy nhập vô tuyến (cụ thể là năm) và chỉ rõ các cơ chế cho phép chuyển giao liên hệ thống Giải pháp này là rất khó về mặt kỹ thuật và cần phải khắc phục nhiều trở ngại Nhưng giải pháp này vẫn khả thi hơn so với giải pháp của các nhà khai thác.

Từ quan điểm của nhà khai thác, hệ thống di động đa chế độ có nhiều ưu thế Khi một nhà khai thác đăng ký giấy phép hoạt động UMTS, thì nhà khai thác sẽ có quyền sử dụng 5 giao diện không gian được phép trong dải tần của họ Đa chế độ có thể khai thác trong nhiều cấu hình tùy thuộc vào chiến lược của nhà khai thác Nếu nhà khai thác đã có mạng 2G, họ có thể bảo vệ sự đầu tư mạng và người sử dụng di động 2G của họ bằng việc sử dụng một hệ thống di động đa chế độ Hệ thống đa chế độ cũng cho phép chuyển đổi dần dần từ 2G sang 3G Điều hấp dẫn cuối cùng là sử dụng đa chế độ sẽ tăng dung lượng và vùng phủ của hệ thống.

Trong chương này, chúng ta tập trung vào chức năng 3G FDD DS được định nghĩa bởi 3GPP Chức năng này có thể xem như là chế độ 3G được triển khai đầu tiên. Chúng ta sẽ đưa ra các đặc điểm quan trọng nhất của chế độ 3G FDD DS (thường gọi là WCDMA), sau đó là tổng quan các yêu cầu cho cấu trúc máy cầm tay 3G và vai trò của một DSP khả trình để đáp ứng các nhu cầu đó cũng như một máy cầm tay 2 chế độGSM/WCDMA.

Các tiêu chuẩn vô tuyến

Từ khi các hoạt động chuẩn hóa 3G được bắt đầu, ba nỗ lực phát triển song song chính đã được tiến hành ở Châu Âu (ESTI), Japan (ARIB), và Hoa Kỳ Tuy nhiên, sau các nỗ lực hòa hợp của một vài nhóm, hiện nay có 3 chế độ của tiêu chuẩn 3G (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Ba tham số CDMA dựa trên các chế độ của 3G

Tham số Chế độ 1: FDD chuỗi trực tiếp

Chế độ 2: FDD đa sóng mang Chế độ 3: TDD

Cấu trúc kênh Trải phổ trực tiếp Đa sóng mang Trải phổ trực tiếp

Phân chia phổ Các dải băng ghép đôi

Các dải băng ghép đôi

Các dải băng không ghép đôi

Chế độ FDD-DS được chấp nhận rộng rãi và là chế độ được triển khai đầu tiên, bắt đầu ở Nhật Bản vào năm 2001 Trong phần còn lại của chương, chúng ta tập trung các thảo luận vào thiết kế một máy cầm tay 3G trong chế độ này Bảng 2.2 liệt kê các đặc điểm quan trọng nhất của chế độ FDD-DS Bảng 2.3 liệt kê các đặc điểm quan trọng nhất của GSM.

Bảng 2.2: Định nghĩa các tham số cho tiêu chuẩn 3G FDD-DS (WCDMA)

Tham số Mô tả/Giá trị

Chiều dài khung vật lý (ms) 10

Hệ số trải phổ 2 k , k=2-8:đường lên, 2 k , k=2-9:đường xuống

Mã hóa kênh Mã hóa xoắn và mã hóa Turbo Đa tốc độ Đa mã và trải phổ biến đổi

Các kỹ thuật phân tập Nhiều anten phát, đa đường

Các tốc độ số liệu cực đại 384 Kbps ngoài trời, 2Mbps trong nhà

Bảng 2.3: Định nghĩa các tham số tiêu chuẩn GSM (2G)

Tham số Mô tả/Giá trị Đa truy nhập TDMA/FDMA Độ rộng kênh (KHz) 200

Chiều dài khung vật lý (ms) 4,615

Mã hóa kênh Mã hóa xoắn Đa tốc độ Không

Các kỹ thuật phân tập Nhảy tần

Các tốc độ số liệu cực đại 9,6/14,4 Kbps (2,5G/GPRS: 171,2)

Các đặc trưng quan trọng của các tiêu chuẩn 2,5G và 3G minh họa các điểm khác nhau chủ yếu giữa 2 hệ thống Sau này chúng ta sẽ làm rõ các điểm chung giữa 2 tiêu chuẩn, sự vận hành của các phép đo và chuyển giao liên hệ thống.

Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức năng

Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:

- Lớp vật lý (lớp 1): có trách nhiệm truyền số liệu trong không gian.

- Lớp liên kết dữ liệu (lớp 2): có trách nhiệm xác định các đặc điểm của số liệu được truyền, ví dụ như: điều khiển luồng số liệu và các yêu cầu chất lượng dịch vụ. MAC là thực thể lớp 2 chuyển dữ liệu xuống lớp 1 và nhận dữ liệu từ lớp 1 lên.

- Lớp mạng (lớp 3): có trách nhiệm trao đổi thông tin điều khiển giữa máy cầm tay và UTRAN, ấn định các tài nguyên vô tuyến RRC là thực thể lớp 3 thực hiện điều khiển và ấn định tài nguyên vô tuyến trong lớp 1.

Trong chương này, chúng ta tập trung vào việc xử lý thu ở lớp vật lý, lớp yêu cầu khắt khe nhất về các tài nguyên phần cứng-phần mềm, và các ràng buộc thời gian thực. Chúng ta sẽ không nói về RF và các bộ phận tương tự thực hiện chuyển đổi tín hiệu vô tuyến tại anten thành luồng bit phù hợp cho xử lý DBB.

Hình 2.1: Sự khái quát chung theo chức năng của việc xử lý lớp vật lý trong DSP

Hình 2.1 đưa ra sự khái quát chung cho một số bộ phận chức năng khác nhau của việc xử lý lớp vật lý trong băng tần gốc số Phần còn lại của chương sẽ mô tả các khối xử lý chính trong phía thu, là phần có yêu cầu khắt khe hơn của modem về mặt nhu cầu tài nguyên.

Giải trải phổ: Quá trình giải trải phổ bao gồm việc tương quan giữa số liệu đầu vào phức với mã kênh (mã Walsh) và mã ngẫu nhiên, lấy kết quả theo từng chip SF, trong đó SF là hệ số trải phổ Mọi đường thu quan trọng của kênh vật lý đường xuống đều phải được giải trải phổ Một đường có quan trọng hay không phụ thuộc vào việc so sánh độ mạnh của đường với đường mạnh nhất.

Tổ hợp tỷ số tối đa (MRC): Một trong số các thuộc tính của các tín hiệu CDMA là khả năng giả tạp âm của chúng do quá trình trải phổ Kết quả là, các đường tín hiệu bị tách rời bởi các khoảng chip sẽ có vẻ không tương quan với nhau MRC là quá trình tổ hợp các đường tín hiệu như vậy để ứng dụng phân tập thời gian trong việc chống lại fading và tăng SNR hiệu dụng Sự đóng góp của mỗi đường tín hiệu trong dạng tín hiệu cuối cùng tỷ lệ với SNR của chính nó Bước MRC này cũng cần phải xem xét đến tất cả các dạng phân tập anten được sử dụng.

Tìm kiếm đa đường hay ước tính hiện trạng trễ (DPE): Mỗi khi bộ tìm kiếm ô chỉ ra đường mạnh nhất mà thiết bị di động thu từ trạm gốc, thiết bị di động đó phải có khả năng tìm kiếm các đường mạnh nhất kế tiếp trong vùng lân cận của đường chính để thực hiện MRC Để chuyển giao mềm được thuận tiện, tìm kiếm đa đường phải được thực hiện đồng thời cho vài trạm gốc.

Xử lý kênh truyền tải đa hợp được mã hóa (CCTrCH): Trong bộ phát đường xuống tại trạm gốc, số liệu từ MAC (thực thể lớp 2) đến bộ mã hóa/ghép kênh dưới dạng các tập hợp khối truyền dẫn một lần trong mỗi khoảng thời gian truyền dẫn {10ms, 20ms, 40ms, và 80ms}.

Trong bộ thu máy cầm tay sẽ thực hiện các bước sau:

- Giải ghép kênh từ các kênh truyền tải.

- Giải đan xen (liên khung và trong một khung).

- Nhận biết tốc độ và giải ghép tốc độ.

Giải mã kênh: Thực tế, bước này xuất hiện giữa bước xử lý CCTrCH của nhận biết tốc độ và kiểm tra CRC Các kênh có thể được mã hóa Turbo hoặc mã hóa xoắn tại bộ phát, vì vậy cần phải có cả hai bộ giải mã Turbo và Viterbi Giải mã Turbo thường được sử dụng cho các tốc độ số liệu cao hơn và các kênh yêu cầu một mức bảo vệ cao hơn.

Tìm kiếm ô: Trong khi tìm kiếm ô, trạm di động quyết định mã ngẫu nhiên đường xuống và đồng bộ khung của một ô Tìm kiếm ô thông thường được thực hiện theo ba bước: đồng bộ khe, đồng bộ khung, và nhận dạng mã ngẫu nhiên chỉ thị ô.

Mô tả chức năng một hệ thống hai chế độ

Hình 2.2 dưới đây là biểu diễn mức hệ thống của một máy cầm tay hai chế độ (nghĩa là: không thảo luận về thuật toán, bộ xử lý và phân chia tại mức này).

Hình 2.2: Khái niệm hai chế độ

Một hệ thống hai chế độ là sự kết hợp của một hệ thống di động GSM [4] và một hệ thống di động UMTS [1] Từ quan điểm trung tâm UE, tất cả các phân hệ này phải chia xẻ tối đa các thiết bị phần cứng để giảm kích thước chết và chi phí vật liệu (BOM) Vì vậy, chương trình lập thời gian biểu trở thành phần quan trọng của một hệ thống hai chế độ bởi vì nó phải xử lý với các dải miền thời gian rất khác nhau Mặt khác, chương trình lập thời gian biểu phải cung cấp một phương pháp hiệu quả để sử dụng một kiến trúc đa xử lý phức tạp, với nhiều bộ nhớ và nhiều đường số liệu.

Chế độ nén là một cơ chế được chỉ định bởi 3GPP để cho phép chuẩn bị chuyển giao liên hệ thống khi thiết bị di động ở chế độ dành riêng WCDMA (hình 2.3) Đây là một quá trình chuẩn bị chuyển giao rất phức tạp và vẫn chưa được chứng minh trong thực tế Vì vậy, đây là một trong số các vùng cần nhiều tinh chỉnh và phát triển.

Hình 2.3: Hoạt động liên hệ thống

Một UE hai chế độ đã được định nghĩa bởi 3GPP Nó là một máy cầm tay có thể thu số liệu từ một ô trong một chế độ (ví dụ như WCDMA) trong khi tại cùng thời điểm, nó vẫn có thể giám sát các ô lân cận trong một chế độ khác (ví dụ như GSM). Các UE như vậy cần một sự đăng ký duy nhất, chung cho tất cả các chế độ hoạt động. Các chế độ khác nhau liên quan đến các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau trên cùng một loại mạng lõi (như vô tuyến UTRA/FDD và GSM trên một mạng lõi dựa trên phần ứng dụng di động).

Hoạt động đa chế độ dựa trên việc tách lựa chọn mạng di động mặt đất công cộng(PLMN) khỏi lựa chọn chế độ/ô Mỗi khi PLMN được chọn, lựa chọn chế độ phải được quyết định trong số các chế độ được cung cấp bởi PLMN đã được chọn (được điều khiển bởi nhà khai thác thông qua các thiết lập tham số) Người sử dụng có thể chọn một PLMN và yêu cầu các loại dịch vụ nhất định Tuy nhiên, người sử dụng đó không thể chọn ô phục vụ hoặc công nghệ truy nhập vô tuyến cũng như chế độ của nó.

Phân tích tính phức tạp và phân chia HW/SW

Các đầu cuối 3G phải có khả năng xử lý một dải rộng các kịch bản dịch vụ từ thoại tốc độ thấp đến đa phương tiện tốc độ số liệu cao Trong phần này, chúng ta sẽ chỉ ra ba kịch bản tiêu biểu trong “trạng thái ổn định” và đưa ra một sự so sánh các thủ tục xử lý của các khối chức năng bộ thu, đã được mô tả trong phần trước.

Kịch bản A: Kịch bản này điều khiển chỉ một đầu cuối thoại với duy nhất một dịch vụ thoại được chuyển mạch kênh 8 Kbps Tốc độ số liệu này được chọn để minh họa các yêu cầu của máy cầm tay tốc độ thấp.

Kịch bản B: Kịch bản này hỗ trợ thoại 12,2Kbps và hình ảnh chuyển mạch gói tốc độ 384Kbps Đây là một tốc độ cao nhưng là trường hợp thực tế với nhiều vật mang dịch vụ có các nhu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau.

Kịch bản C: Kịch bản này hỗ trợ một dịch vụ 2Mbps, là thách thức cuối cùng mà các tiêu chuẩn 3G xác định cho các nhà thiết kế.

Ngoài các dịch vụ riêng trong mỗi kịch bản, máy cầm tay được coi như là đã thu thông tin điều khiển cần thiết từ UTRAN.

Các yêu cầu xử lý của một số khối đòi hỏi khắt khe nhất, được chỉ ra trong hình 2.4, phụ thuộc không chỉ vào tốc độ số liệu, mà còn cả các hệ số khác như là số lượng dịch vụ, số lượng ô mạnh trong vùng lân cận, các đặc điểm của kênh vô tuyến, ví dụ như số lượng đa đường

Khối giải trải phổ thực hiện giải trải phổ tất cả các kênh bao gồm kênh hoa tiêu chung cho việc ước tính kênh, kênh hiệu chỉnh thời gian, v.v

Hình 2.4: Các yêu cầu xử lý tương quan của mỗi khối chức năng trong các kịch bản (A, B, và C) Xử lý được biểu diễn dưới dạng các hoạt động (hàng triệu hoạt động trong một giây).

HW/SW phân chia việc xử lý được yêu cầu – nghĩa là các khối chuyển đổi thành các cổng ASIC dành riêng và các khối được chuyển đổi thành SW Thông thường, một DSP khả trình bị ảnh hưởng bởi nhiều hệ số Hệ số quan trọng cho các máy cầm tay là yêu cầu xử lý mà vẫn đảm bảo quỹ công suất đích Các hệ số bổ sung bao gồm các yêu cầu về tính mềm dẻo, các yêu cầu vào/ra số liệu, các yêu cầu bộ nhớ, các yêu cầu về trễ xử lý, khả năng nâng cấp chức năng trong tương lai, v.v

Sự thoả hiệp cơ bản liên quan giữa công suất đích và tính mềm dẻo Đối với các máy cầm tay, công suất dĩ nhiên là mối quan tâm chủ yếu Nhìn chung, công suất thấp nhất đạt được bằng việc chuyển đổi các chức năng phần cứng riêng được thiết kế đặc biệt để thực hiện các chức năng đó và chỉ các chức năng đó mà thôi Tuy nhiên, HW đó sẽ có tính mềm dẻo kém hơn so với một DSP khả trình công suất thấp (ví dụ như họ các bộ xử lý của Texas Instruments TMS320C54x và TMS320C55x, được thiết kế đặc biệt để có công suất thấp cho các máy cầm tay, nhưng đủ cao trong các giới hạn MHz để đáp ứng thách thức của 2G/3G).

Các yêu cầu ở trên gợi ý một vài chức năng phân tách phần cứng - phần mềm cho một bộ thu WCDMA, như được chỉ ra trong hình 2.5 Hình vẽ chỉ ra các khối như sau:

Hình 2.5: Các chức năng phân chia HW/SW

 Các khối hoàn toàn HW: các khối này dựa trên các hệ số như là MIPS rất cao hoặc các yêu cầu băng thông số liệu mà một thiết bị mục đích chung như là một DSP không thể thỏa mãn;

 Các khối hoàn toàn SW: các khối này dựa trên các yêu cầu xử lý vừa phải và quan trọng hơn chúng cần sự mềm dẻo, do đó cần một thiết bị khả trình;

 Các khối HW hoặc SW: dựa trên quỹ công suất nguồn tổng và các kịch bản dịch vụ cụ thể để thực hiện các triển khai cụ thể.

Phải nói lại rằng các tiêu chuẩn 3G là mới và vẫn chưa được triển khai Theo dòng lịch sử, nó đã xuất hiện, khi hiệu suất DSP được cải tiến, chức năng được chuyển từ ASIC tới DSP Tuy nhiên, các nhà thiết kế 3G vẫn phải đối mặt với việc thiết kế các hệ thống thỏa mãn các yêu cầu xử lý cao mà vẫn có tính mềm dẻo để đáp ứng sự ra đời của tiêu chuẩn, các thị trường mới và đang phát triển, các kịch bản dịch vụ mới Vấn đề này sẽ được chỉ rõ trong phần sau.

Các phương pháp thiết kế phần cứng

2.6.1 So sánh giữa kiến trúc phân tán với kiến trúc tập trung

Về bản chất, các hệ thống CDMA là song song Với một đường truyền thông giữa trạm gốc và máy cầm tay, tồn tại nhiều kênh đa mã, và mỗi kênh được thu thông qua ghép nhiều đường truyền dẫn Thách thức của thiết kế là việc chia sẻ hoặc phân phối tài nguyên hệ thống giữa các luồng theo chức năng song song này Trong máy cầm tay, vấn đề này phải được giải quyết nhờ các ràng buộc bổ sung, xuất hiện do các yêu cầu giảm công suất tiêu thụ và vùng silicon nhỏ.

Vấn đề này có thể được giải quyết bằng việc sử dụng hai phương pháp phần cứng khác nhau: kiến trúc tập trung hoặc kiến trúc phân tán Trong phương pháp tập trung, một bộ phận của phần cứng có thể được lập trình cho nhiều hơn một modem CDMA, như bộ tìm kiếm và xác nhận, để các tài nguyên có thể chia sẻ cho các chức năng khác nhau (nếu chúng có một khối chức năng lõi chung, ví dụ như hoạt động tương quan). Ngược lại, một kiến trúc phân tán ít liên quan tới việc chia sẻ tài nguyên hơn vì vậy mỗi khối chức năng là riêng biệt và tương đối độc lập.

Cả hai phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng Nói chung, một kiến trúc tập trung sẽ yêu cầu vùng silicon nhỏ hơn, nhưng lại điều khiển phức tạp hơn trong cả phần mềm lẫn phần cứng Sự tiêu thụ công suất là tỷ lệ với diện tích và tần số.

Vì vậy, để tổng công suất xử lý như nhau, một kiến trúc tập trung (mục đích tổng quát hơn) có thể có khu vực nhỏ hơn một kiến trúc phân tán theo chức năng nhưng sẽ tiêu thụ công suất lớn hơn một hệ thống phân tán Có điều này là bởi vì ngoài tính phức tạp điều khiển, một kiến trúc mục đích tổng quát phải quan tâm đến việc trợ giúp tất cả các chức năng được hỗ trợ trong khi các khối dành riêng có thể được thiết kế hiệu quả nhất cho chức năng của riêng bản thân chúng Hơn thế, sẽ dễ dàng tắt các phần của kiến trúc phân tán hơn khi chúng không được sử dụng Tần số hoạt động của phần cứng cũng sẽ ảnh hưởng đến sự khác nhau của việc tiêu thụ công suất giữa hai kiến trúc. Một kiến trúc phân tán sẽ cần một tốc độ đồng hồ thấp hơn một kiến trúc tập trung.

Một tham số khác phải được quan tâm đến là chế độ chờ (stand-by) và chế độ ngủ (sleep) của một máy cầm tay di động, trong đó chỉ một số lượng nhỏ các kênh cần phải được xử lý trong một khoảng thời gian ngắn, giữa các khoảng thời gian không hoạt động dài hơn Kiến trúc hệ thống cũng sẽ quan tâm đến việc phân chia hiệu quả các khối chức năng sao cho không có khối phần cứng với chức năng thừa nào ở chế độ tích cực rơi trong chế độ ngủ từ đó tối đa hoá thời gian chờ Trong khi đó các khối này vẫn có thể hỗ trợ lưu lượng kênh lớn trong chế độ bình thường. Định thời và trễ của phản hồi cũng sẽ được đề cập trong thiết kế kiến trúc hệ thống Trong điều kiện hệ thống phải thỏa mãn các yêu cầu, sự thỏa hiệp nên được thực hiện giữa một kiến trúc tập trung với tốc độ đồng hồ cao hơn và một kiến trúc phân tán với tốc độ đồng hồ thấp hơn Nhìn chung, tốc độ đồng hồ cao hơn có thể khiến cho thiết kế khó khăn hơn và chỉ rõ sự bổ sung nhân lực hiệu quả.

Không kiến trúc hệ thống cụ thể nào có thể khẳng định là một hệ thống hoàn toàn tập trung hay phân tán Tồn tại một sự khác nhau về mức độ kiến trúc tập trung hay kiến trúc phân tán Sự thỏa hiệp phải được tạo ra cho thiết kế kiến trúc hệ thống CDMA tùy theo một số ràng buộc mức hệ thống.

2.6.2 Phương pháp bộ đồng xử lý

Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận cách các bộ đồng xử lý có thể thực hiện chức năng của các DSP khả trình trong khi bổ sung một nền 3G mềm dẻo Với một đầu cuối tốc độ thoại WCDMA, nếu chúng ta thực hiện một tính toán gần đúng của

“các hoạt động” đã yêu cầu, chỉ khoảng 10% là phù hợp cho việc thực hiện trên một DSP hiện tại Nhưng một giải pháp chức năng cố định sẽ là một lựa chọn rủi ro cao bởi vì nó thiếu tính mềm dẻo, đặc biệt trong một tiêu chuẩn mới Vì vậy, nhà thiết kế hệ thống phải đối mặt với vấn đề cân bằng các yêu cầu về công suất và tính mềm dẻo. Nếu chúng ta thừa nhận một xu hướng dài hạn để tăng cường việc sử dụng của các DSP mạnh hơn thì nhà thiết kế cũng cần một quá trình cho thiết kế đó dịch chuyển tới các thiết bị như vậy

Một giải pháp hấp dẫn cho vấn đề này là một kiến trúc dựa trên bộ đồng xử lý với một thiết bị khả trình duy nhất tại lõi của kiến trúc Các bộ đồng xử lý nâng cao khả năng tính toán của kiến trúc Cùng lúc đó, chúng cung cấp lượng chương trình phần mềm, tính mềm dẻo và khả năng nâng cấp cần thiết để đáp ứng sự phát triển của tiêu chuẩn, cung cấp sự phân biệt dịch vụ hay sản phẩm, và đơn giản hoá xử lí mẫu ban đầu và tích hợp sau cùng.

Chúng ta phân chia thế giới các bộ đồng xử lý thành “được kết hợp lỏng” và

“được kết hợp chặt” Chúng được xác định dựa theo thời gian trung bình để hoàn thành một lệnh trên DSP và loại giao diện của nó với bộ xử lý chính Với một bộ đồng xử lý được ghép chặt (TCC- Tightly Coupled Coprocessor), DSP sẽ khởi tạo một nhiệm vụ trên bộ đồng xử lý, hoàn thành theo trật tự sau khoảng vài chu kỳ lệnh Một nhiệm vụ được khởi tạo trên một bộ đồng xử lý được ghép lỏng (LCC- Loosely Coupled Coprocessor) sẽ chạy trong nhiều chu kỳ lệnh trước khi nó cần nhiều sự tương tác hơn với DSP.

Các TCC có thể được xem như một sự mở rộng tập lệnh của DSP, theo đó các lệnh lớn hơn, chẳng hạn như là giải mã hóa hình bướm hoặc các toán tử nhân có nhớ

16 bit, chạy trên một phần cứng chuyên dụng được gắn chặt với DSP thông qua một giao diện chuẩn Vì vậy, các TCC thu lợi từ khả năng đánh địa chỉ của DSP, băng thông bus địa chỉ/số liệu của DSP, các thanh ghi nội và không gian nhớ DSP chung. Thêm vào đó, bộ công cụ phát triển của DSP được tái sử dụng cho các mục đích thử nghiệm và phát triển Vì mỗi thao tác trong TCC chỉ cần một vài chu kỳ nên nó sẽ chỉ liên quan đến một lượng dữ liệu nhỏ Hơn nữa, chương trình lập thời gian biểu của các thao tác đồng thời trên DSP và TCC sẽ khó khăn, vì DSP sẽ ngắt thao tác của nó sau một vài chu kỳ để phục vụ TCC Vì vậy, thông thường DSP sẽ rỗi trong khi TCC hoạt động Như vậy, TCC là một sự tăng cường tập lệnh có thể định nghĩa của người sử dụng, cung cấp các cải tiến công suất và tốc độ cho các thao tác nhỏ trong đó không có tắc nghẽn cổ chai số liệu qua DSP Một TCC cũng có thể có một thao tác cụ thể và là tương đối nhỏ so với DSP Theo thời gian, chức năng của TCC có thể được hấp thu vào DSP bằng việc thay thế nó bởi mã trong một DSP công suất thấp hơn, nhanh hơn hoặc bằng việc hấp thu chức năng của TCC vào lõi của DSP và dành cho nó một lệnh riêng Một ví dụ của loại sắp xếp chức năng này là một bộ thuật toán Galois cho các mục đích mã hóa hoặc một bộ đồng xử lý thao tác bit, cung cấp số liệu cho các chuyển đổi ký hiệu mà hiện tại không được thực hiện hiệu quả trong tập lệnh của DSP.

Việc truyền thông từ TCC tới bộ xử lý chính thường xảy ra thông qua các lệnh đọc và ghi thanh ghi còn điều khiển được truyền trở lại bộ xử lý chính ngay sau khi hoàn thành thao tác TCC.

Hiện tại đã có các bộ xử lý thương mại cho phép tập lệnh nguyên thủy được tăng cường nhờ các khối TCC phần cứng bổ sung đặc biệt nhờ một “cổng bộ đồng xử lý”. Các ví dụ là bộ xử lý ARM (ARM7TDMI), và bộ xử lý TMS320C55x Cổng bộ đồng xử lý cung cấp truy nhập tới tập thanh ghi bộ xử lý, các bus nội, và thậm chí có thể là các bộ nhớ cache số liệu Trong ARM7TDMI, bộ đồng xử lý gắn với giao diện bộ nhớ của lõi ARM Bộ đồng xử lý ngắt các lệnh đang được đọc bởi lõi ARM và thực hiện các lệnh phục vụ cho nó TCC cũng phải truy nhập tới các thanh ghi ARM thông qua giao diện bộ nhớ đó.

Mặt khác trong bộ đồng xử lý C55x, TCC kết nối tới lõi chính thông qua một cổng riêng Thông qua cổng này nó truy nhập tới bộ nhớ của bộ xử lý và tệp thanh ghi (hình 2.6) Đường ống giải mã lệnh chính của bộ xử lý gửi thông tin điều khiển tới TCC khi nó gặp một lệnh bộ đồng xử lý trong khi thực hiện chương trình Một TCC có thể sử dụng nhiều chu kỳ đồng hồ để thực hiện chức năng của nó; trong khi đó thì đường ống của bộ xử lý chính sẽ rỗi Các ví dụ của các bộ đồng xử lý C55x là các khối tăng tốc độ cho biến đổi cosin rời rạc (DCT: Discrete Cosine Tranform), giải mã chiều dài biến đổi (VLD), và ước tính chuyển động Các TCC xử lý hình ảnh này cho kết quả thực hiện nhanh hơn 4 đến 7 lần so với tập lệnh C55x nguyên thủy.

Hình 2.6: Ví dụ bộ đồng xử lý ghép chặt

Các bộ đồng xử lý được ghép lỏng (LCC) giống một lời gọi hàm hơn là một lệnh.

Xử lý phần mềm và giao diện với các lớp cao hơn

Giải pháp dựa trên bộ đồng xử lý đã mô tả ở trên, hoặc bất kỳ ASIC khả trình đang thực hiện chức năng modem bất kỳ, phải thỏa mãn các nhu cầu của một tiêu chuẩn 3G đang phát triển, với nhiều chế độ và cho một vài kịch bản dịch vụ Để đáp ứng các điều kiện thay đổi và không ổn định này một cách nhanh chóng, cần phải có các giao diện lập trình ứng dụng (API) phần mềm hiệu quả để giao diện với các khối phần cứng này Các API này cho phép cấu hình lại phần cứng dễ dàng từ phần mềm đang chạy trên DSP, để thỏa mãn yêu cầu hệ thống Mặt khác, các API này giao diện với phần còn lại của cấu trúc điều khiển modem (mặt phẳng điều khiển) cũng như các thuật toán xử lý tín hiệu điều khiển số liệu (mặt phẳng số liệu).

Thông thường, người ta sử dụng phương pháp xử lý modem, nhờ sự kết hợp của các thuật toán xử lý tín hiệu, và một kiến trúc điều khiển phức tạp, là việc sử dụng một DSP và sự kết hợp các bộ vi điều khiển [6] Một ví dụ tốt là kiến trúc OMAP TM của Texas Instruments bao gồm một bộ xử lý ARM9 và một bộ xử lý C55x Trong phương pháp này, DSP chịu trách nhiệm cho phần xử lý tín hiệu có trách nhiệm nặng nề mà nó phù hợp nhất trong khi mặt phẳng điều khiển được phân chia giữa DSP và bộ vi điều khiển Phần mặt phẳng điều khiển trong DSP thường giải quyết các chức năng thời gian thực với trễ thấp Mặt khác, mặt phẳng điều khiển trong bộ vi điều khiển cung cấp điều khiển tập trung tất cả các tài nguyên lớp vật lý (phần cứng và phần mềm) và cung cấp một giao diện tới các lớp cao hơn trong ngăn xếp giao thức (lớp 2 hoặc MAC, và bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) trong lớp 3) Nội dung thời gian thực của hệ thống giảm khi ta đi ngược lên trên ngăn xếp giao thức, thường được thực hiện trên bộ vi điều khiển. Điểm khác nhau nữa cần phải chú ý: 2G chủ yếu là trung tâm thoại, trong khi 3G được mong đợi là trung tâm số liệu Tuy nhiên, người ta vẫn đang xác định xem đâu là ứng dụng chính cho 3G Một số ứng dụng sau có thể là ứng cử viên tốt: MP3, MPEG4,các ảnh quay, video, v.v Vẫn đang có sự tranh luận về nền tảng lý tưởng cho các chức năng modem cũng như các ứng dụng Một xu hướng trong đó là phải có hai nền khác nhau cho mỗi ứng dụng - nhờ vậy cung cấp nhiều tài nguyên cho các ứng dụng, nhưng tại một chi phí cao hơn Xu hướng còn lại là có một nền tảng chung có chi phí thấp hơn nhưng lại khó thực hiện hơn Khó khăn nằm trong việc bảo vệ bản chất thời gian thực của modem trong khi bị cản trở bởi các ứng dụng Trong thực tế, có thể tồn tại cả hai loại giải pháp: giải pháp đầu tiên dùng cho các điện thoại tốc độ cao, còn giải pháp thứ hai sử dụng cho đầu cuối thoại chủ yếu tốc độ thấp với các ứng dụng yêu cầu thấp một cách phù hợp.

Tổng kết

Máy cầm tay hai chế độ 2G/3G đòi hỏi rất khắt khe về các thủ tục xử lý nên sẽ khó thỏa mãn chỉ bằng việc sử dụng các DSP khả trình ngày nay Tuy nhiên, do sự thiếu tính hoàn chỉnh của các tiêu chuẩn 3G nên tính mềm dẻo của triển khai là bắt buộc Vì thế phương pháp hay nhất là sẽ sắp xếp một cách cẩn thận các chức năng có rất nhiều thao tác trên giây (ví dụ: giải trải phổ) cho phần cứng dành riêng nhưng được tham số hóa (TCC, LCC) và được gắn vào một DSP khả trình Phần còn lại của các chức năng xử lý tín hiệu yêu cầu nhiều tính mềm dẻo (ví dụ: xử lý tìm kiếm ô) và sẽ phù hợp với DSP trong khối công suất DBB đích sẽ được sắp xếp vào DSP-SW Khi tiêu chuẩn trở nên hoàn thiện và công nghệ DSP phát triển, mô hình này sẽ thay đổi với việc DSP thực hiện nhiều chức năng xử lý tín hiệu và cung cấp tính mềm dẻo cần thiết được yêu cầu bởi một tiêu chuẩn với một sự phát triển lớn bao gồm vô số các kịch bản dịch vụ.

CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G .28

Giới thiệu

Các hệ thống tổ ong thế hệ 3 (3G) sẽ dựa trên các phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) và sẽ cung cấp các dịch vụ số liệu quan trọng cũng như tăng dung lượng cho các kênh thoại Điều này dẫn đến các yêu cầu tính toán đáng kể cho các trạm gốc 3G Chương này thảo luận một kiến trúc cung cấp việc tính toán cần thiết với độ mềm dẻo cao Đồng thời, phương pháp này là một trong các phương pháp hiệu quả nhất về mặt chi phí đã được biết Dựa trên một TMS320C64x TM của Texas Instruments làm DSP lõi, kiến trúc này sử dụng 3 bộ đồng xử lý mềm dẻo (FCPs): một bộ đồng xử lý tương quan cho phần CDMA, một bộ đồng xử lý giải mã Turbo cho các dịch vụ số liệu, và một bộ đồng xử lý giải mã Viterbi cho các dịch vụ thoại Giải pháp này có thể được sử dụng cho hai sự bổ sung chính của hệ thống tổ ong 3G cũng như cho các hệ thống thế hệ thứ hai (2G).

Sự phát triển bùng nổ trong các hệ thống vô tuyến tổ ong được mong đợi là sẽ tiếp tục và các hệ thống vô tuyến 3G sẽ đóng vai trò then chốt trong sự phát triển này. Đặc điểm quan trọng của các hệ thống 3G là sự tích hợp truyền thông số liệu với truyền thông thoại, dung lượng người sử dụng sẽ cao hơn các hệ thống trước đó Gần đây, liên mạng IP đã thu hút được nhiều quan tâm và các khả năng như vậy sẽ trở thành các dịch vụ 3G Các tiêu chuẩn 3G mới này chịu ảnh hưởng của liên minh viễn thông quốc tế (ITU) dưới cái tên IMT-2000 Các kỹ thuật CDMA băng rộng tạo nên lõi của các phần có dung lượng cao hơn cho các tiêu chuẩn mới và là trọng tâm nhất của chương này.

Các trạm gốc 3G khó xây dựng hơn so với trạm gốc 2G do yêu cầu tính toán tăng Yêu cầu tính toán tăng là do các thuật toán phức tạp hơn và tốc độ số liệu cao hơn, yêu cầu nhiều kênh hơn trên mỗi khối phần cứng Chương này giới thiệu phương pháp cung cấp một giải pháp hiệu quả cho lớp vật lý (truy nhập vô tuyến) của trạm gốc Phương pháp này dựa trên sự phân chia tải giữa một TMS320C64x TM và ba FCP. Khái niệm này tận dụng một bộ đồng xử lý, có các chức năng được quy chuẩn, có thể được thực hiện với các hiệu quả silicon rất cao tương ứng với DSP Một đặc điểm khác nữa là kết hợp chặt chẽ mức độ mềm dẻo cao vào mỗi bộ đồng xử lý sao cho nó có thể được sử dụng như một nền tảng cho nhiều giải pháp trạm gốc, được phát triển bởi nhiều OEM, với các yêu cầu khác nhau Điều này cho phép mỗi DSP xử lý một số lượng kênh lớn và kết hợp các phương pháp thuật toán tiên tiến, ví dụ các anten thông minh và việc khử nhiễu.

Trước tiên chúng ta sẽ giới thiệu tổng quan các yêu cầu của các hệ thống 3G và một số phân tích mức hệ thống để có sự hiểu biết về các yêu cầu tính toán Sau đó sẽ mô tả mỗi bộ đồng xử lý mềm dẻo: Bộ giải mã Viterbi, bộ giải mã Turbo, và bộ đồng xử lý tương quan Chúng ta sẽ kết thúc bằng tổng kết các ưu điểm của phương pháp lai ghép này đối với các kiến trúc trạm gốc 3G.

Tổng quan về các trạm gốc 3G: Các yêu cầu

Mục tiêu của mạng vô tuyến 3G là cung cấp các dịch vụ băng rộng (Internet, Video,…) cùng với các dịch vụ thoại tới người sử dụng di động Vì vậy luồng dữ liệu đường xuống (từ BTS tới trạm di động) chiếm ưu thế so với đường lên (trạm di động tới BTS) và là giới hạn dung lượng ô 3G chủ yếu Tuy nhiên, quỹ tính toán BTS bị giới hạn bởi đường lên do độ phức tạp thuật toán lớn hơn nhiều tại bộ thu (Rx) Mối quan tâm chính của nhà sản xuất là thực hiện một mật độ kênh cao, nghĩa là một số lượng lớn người sử dụng di động được xử lý trong một khối phần cứng (giao diện RF+DSP+bộ đồng xử lý) Điều này thúc đẩy một giải pháp tính toán hiệu quả cao.

Có hai tiêu chuẩn 3G chính theo IMT-2000: IS2000 (CDMA2000) khởi nguồn từ công ty Qualcomm của Bắc Mỹ, và 3GPP khởi nguồn từ các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ở Châu Âu và Châu Á Cả hai tiêu chuẩn đều sử dụng hệ thống truy nhập CDMA chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) băng rộng tại lớp vật lý và thực hiện các chức năng băng tần cơ sở như: giải trải phổ, ấn định ngón, tổ hợp tỷ số tối đa, mã hóa kênh, đan xen, v.v Điều này thúc đẩy việc thực hiện dựa trên DSP có độ mềm dẻo cao, để trợ giúp cả hai tiêu chuẩn và các giải pháp trong tương lai của chúng sử dụng cùng phần cứng.

Vấn đề chính là một số chức năng trong đó (như bộ giải trải phổ, bộ giải mã xoắn, và bộ giải mã Turbo) cần tính toán rất nhiều Vì vậy, tại tốc độ DSP hiện thời, một giải pháp chỉ DSP không thể thực hiện mật độ kênh hiệu quả Tuy nhiên, do các chức năng này có thể thực hiện với các thuật toán cố định đã biết, thường với các hoạt động lặp đều đặn, chúng có thể được thực hiện trong các bộ đồng xử lý mềm dẻo/bán lập trình, FCPs, nhờ vậy sẽ giảm tải cho DSP và tăng mật độ kênh Điều này cũng cho phép việc sử dụng vùng silicon hiệu quả và tối ưu hơn và vì vậy cung cấp một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí hơn Và nó cho phép các khả năng mạnh mẽ của DSP được sử dụng cho các thuật toán tiến bộ hơn.

Nói chung, các yêu cầu hệ thống trạm gốc 3G như sau:

Hiệu suất: Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản được thiết lập bởi IMT-2000 của

ITU Các nhân tố quan trọng bao gồm:

- Phát triển từ 2G và khả năng chuyển mạng toàn cầu.

- Hỗ trợ truy nhập số liệu tốc độ cao, lên tới 2Mbps.

- Hỗ trợ các dịch vụ kiểu gói.

Chi phí: Mục tiêu chi phí cho một kênh rất được quan tâm và phải có sức cạnh tranh hơn so với các chi phí kênh 2G Điều này có nghĩa là dịch vụ thoại rẻ hơn phải được cung cấp để bù vào các chi phí bổ sung khi cung cấp dịch vụ số liệu chất lượng cao cho người sử dụng.

Tính mềm dẻo: Yêu cầu về tính mềm dẻo phụ thuộc vào một số các nhân tố sau:

- Có nhiều hơn một công nghệ truy nhập vô tuyến (chẳng hạn nhiều kỹ thuật CDMA).

- Dễ dàng cải tiến sản phẩm và chuyển từ sản phẩm này sang sản phẩm khác.

- Khả năng bảo trì trong môi trường.

- Một tiêu chuẩn đang phát triển.

Thời điểm xuất hiện trên thị trường: Đến nay hệ thống 3G đã xuất hiện trên thị trường và phát triển mạnh ở Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Tây Âu, …

3.2.3 Xử lý băng tần gốc trạm gốc CDMA cơ bản

Mặc dù sự phân chia của nó có thể khác nhau nhưng chức năng cơ bản của việc xử lý băng tần gốc CDMA trạm gốc 3G được chỉ ra trong hình 3.1 Các card xử lý băng tần gốc được kết nối tới một bus mạng backplane và tới một ngoại vi IF/RF Trên các card xử lý băng tần gốc thường có một hoặc nhiều DSP, có thể được giao diện với một bộ xử lý điều khiển chạy mã ứng dụng chính để thực hiện giao diện không gian tiêu chuẩn và điều khiển xử lý lớp trên Nói chung, DSP thực hiện việc xử lý tín hiệu băng gốc lớp vật lý Trong CDMA có hai loại xử lý tín hiệu băng gốc số được đề cập:

- Xử lý tại tốc độ (trải phổ) chip.

- Xử lý tại tốc độ ký hiệu.

Hình 3.1: Sơ đồ khối cho trạm gốc CDMA băng rộng mô tả các chức năng chính

Mặc dù xử lý tốc độ ký hiệu có thể được thực hiện nhiều trong DSP, nó vẫn yêu cầu một số khối tăng tốc độ phần cứng quan trọng Về cơ bản, tất cả xử lý tốc độ chip yêu cầu tăng tốc độ phần cứng.

3.2.4 Xử lý tốc độ ký hiệu (SR)

Thách thức đối với xử lý tốc độ ký hiệu CDMA và TDMA trạm gốc 3G là yêu cầu không những chỉ xử lý đa kênh, mà còn xử lý các kênh tốc độ số liệu rất cao (≥ 384Kbps) Người ta cho rằng khả năng lập trình thậm chí lớn hơn để xử lý tốc độ ký hiệu cho nhiều kênh tại các tốc độ số liệu khác nhau phải được định dạng, ghép tốc độ và ghép kênh động Các DSP có thể thực hiện xử lý SR cho nhiều kênh một cách mềm dẻo và hiệu quả về mặt chi phí cho nhiều chức năng SR Tuy nhiên, một tập các chức năng quan trọng, giải mã kênh hiệu chỉnh lỗi trước (FEC) (xoắn và turbo), hiện là một thách thức cho DSP khi tốc độ số liệu này là cao hoặc khi hàng trăm kênh thoại cần được xử lý Vì vậy, thực tế chung là phải thực hiện giải mã kênh trong phần cứng ngoài được giao diện với DSP Nếu phần cứng ngoài này là một ASIC riêng biệt thì nó sẽ làm tăng vùng không gian mạch, tuy nhiên phần cứng này cũng có thể được ghép chặt với lõi DSP và được tích hợp trong chính DSP.

Giải pháp SR là không hoàn thiện nếu không có các phần ngoại vi phù hợp để thỏa mãn các yêu cầu giao diện mạch Đặc biệt các đặc điểm sau là cần thiết:

- Một giao diện bộ xử lý chính, giao diện gỡ rối, và các bộ định thời.

- Bộ nhớ băng rộng, tốc độ cao sẽ giao diện với bộ nhớ ngoài và bộ trải phổ/ bộ giải trải phổ.

- Các cổng nối tiếp cho các truyền thông liên DSP và/hoặc số liệu phát đường xuống/đường lên.

- Một giao diện mạng giống như giao diện lớp vật lý ATM Utopia II.

3.2.5 Xử lý tốc độ chip (CR)

Các chức năng tốc độ chíp (CR) cung cấp các ký hiệu giải trải phổ cho các chức năng tốc độ ký hiệu Tại các tốc độ chip hiện tại (3,6864Mchip/s cho IS-2000 và3,84Mchip/s cho 3GPP), sẽ cần nhiều DSP để thực hiện các chức năng bộ thu tốc độ chip đường lên đa kênh cho các hệ thống CDMA như thế Vì vậy, phương pháp tốt nhất là sử dụng một giải pháp tối ưu dành riêng cho xử lý thời gian thực của các tương quan tốc độ cao (nghĩa là > 2MHz) Ngày nay, chức năng tương quan này (bộ tìm kiếm và bộ giải trải phổ RAKE) có thể được thực hiện trong một ASIC Thách thức là phải thực hiện xử lý CR trong một chu kỳ hiệu quả, mềm dẻo (bán lập trình) và hiệu quả về mặt chi phí.

Về phía bộ thu, các chức năng CR chính yêu cầu tăng tốc độ phần cứng, có thể được phân chia thành các chức năng bộ tìm kiếm và các chức năng bộ giải trải phổ RAKE.

3.2.5.1 Bộ tìm kiếm: Bộ tìm kiếm truy nhập và bộ tìm kiếm lưu lượng

Có hai loại chức năng bộ tìm kiếm: các chức năng bộ tìm kiếm truy nhập và các chức năng bộ tìm kiếm lưu lượng Bộ tìm kiếm truy nhập có chức năng theo dõi và kết nối người sử dụng vào tập các người sử dụng tích cực của trạm gốc Bộ tìm kiếm lưu lượng cung cấp các thống kê dựa trên các thành phần đa đường để quản lý hiện trạng trễ.

Bộ tìm kiếm truy nhập: Sau khi thực hiện thành công việc đồng bộ đường xuống, một MS nhập vào một mạng tế bào bằng việc gửi một yêu cầu trên một kênh truy nhập đường lên chung theo sơ đồ nhất định Có một số loại kênh truy nhập, song tất cả chúng đều có cùng cấu trúc tổng thể như nhau: một giả tiền tố được tạo bởi một kênh hoa tiêu không được điều chế, tiếp theo là một bản tin đã đóng gói Chức năng của bộ tìm kiếm truy nhập là để nhận biết người sử dụng mới này trong ô bằng việc giám sát các kênh truy nhập.

Vì vậy, một cửa sổ tìm kiếm tương đối rộng, cân xứng với bán kính ô được sử dụng Bộ tìm kiếm truy nhập tìm kiếm tiền tố, mà cấu trúc của nó không cùng một tiêu chuẩn với các tiền tố khác Tiền tố kênh truy nhập IS-2000 là một kênh hoa tiêu trải phổ PN không mang số liệu đơn giản, còn trong 3GPP, một ký nhận Walsh 16 chip được chọn một cách ngẫu nhiên bởi MS được chồng lên kênh hoa tiêu trải phổ PN.

Bộ tìm kiếm lưu lượng: Sau khi truy nhập được thực hiện, một trạm gốc 3G tiếp tục tìm các thao tác của mỗi người sử dụng trong ô Mục đích là để cập nhật theo định kỳ hiện trạng trễ của mỗi người sử dụng (nghĩa là, nhận dạng mỗi đa đường và đảm bảo các số liệu thống kê liên quan) Chức năng bộ tìm kiếm lưu lượng sẽ xử lý các cửa sổ tìm kiếm nhỏ hơn so với bộ tìm kiếm truy nhập (thông thường là 64 PN chip). Trong IS-95 (các cấu hình vô tuyến (RC) 1 & 2 của IS-2000), bộ tìm kiếm lưu lượng tìm kiếm kênh lưu lượng được điều chế bởi mảng 64 hàm Walsh-Hadamard của người sử dụng Mặt khác, bộ tìm kiếm lưu lượng tìm kiếm kênh hoa tiêu lưu lượng của người sử dụng, được ghép giả ngẫu nhiên với kênh số liệu lưu lượng Thông thường, kênh hoa tiêu được ghép theo thời gian với các ký hiệu được điều chế mang thông tin như là điều khiển công suất hay hệ số trải phổ Bởi vậy, các thao tác tìm kiếm phải khai thác một cách tối ưu cấu trúc kênh hoa tiêu, đặt các giá trị bit được điều chế vào tài khoản hoặc chỉ lập thời gian biểu tìm kiếm các bit không được điều chế Trong IS-2000, các bộ tìm kiếm truy nhập và lưu lượng có thể chia sẻ cùng phần cứng sau giải trải phổ (sự chồng chất không kết hợp) và thực hiện nhiệm vụ tìm kiếm Điều này không giống với bộ tìm kiếm lưu lượng trong IS-95 (RC 1&2 của IS-2000) và tiền tố RACH của 3GPP với các cấu trúc kênh xác định, cần phần cứng làm nhiệm vụ tiền giải trải phổ, dành riêng cho chuyển đổi Hadamard nhanh (FHT).

3.2.5.2 Bộ giải trải phổ RAKE

Phân tích hệ thống

Phân tích hệ thống CDMA được chia thành hai phần: xử lý SR và CR đường lên.

3.3.1 Phân tích xử lý SR

Các chức năng xử lý tín hiệu SR bao gồm:

- Mã hóa và giải mã kênh FEC: gồm bộ mã hóa/giải mã CRC, xoắn và turbo.

- Đan xen/giải đan xen: có thể có hai mức đan xen trước và sau khi ghép kênh.

- Ghép/giải ghép tốc độ.

- MRC kênh: đối với mục đích của nghiên cứu này thì chúng được xem xét trong phân tích xử lý CR khi chúng có quan hệ khép kín.

Các chức năng quan trọng nhất của DSP là hai loại giải mã kênh: giải mã xoắn và giải mã turbo Giải mã xoắn được sử dụng cho các khung tốc độ số liệu thấp như là thoại, trong khi đó giải mã turbo được sử dụng cho các khung tốc độ cao như video. Mặc dù việc giải mã kênh có vẻ rất phù hợp với việc thực hiện trên một DSP mục đích chung, nhưng nó thường được thực hiện trong các ASIC ngoài để hiệu quả về mặt chi phí và tổng trễ xử lý thấp hơn Giải mã xoắn được bổ sung trong các bộ đồng xử lý do số lượng lớn các kênh tốc độ thấp cần được mã hóa, trong khi đó giải mã turbo đòi hỏi quá nhiều phép tính đối với các DSP ngày nay Phân tích sau sử dụng hai kịch bản chung để so sánh giải pháp chỉ sử dụng phần mềm (DSP cho tất cả các chức năng) với giải pháp DSP+ FCP.

1 Hỗ trợ cho các kênh thoại 64 x 8 Kbps (81 bit, lớp A, các khung AMR).

2 Hỗ trợ cho các kênh số liệu 4 x 384 Kbps.

Bảng 3.1 chỉ ra kết quả phân tích cho các kịch bản này Mỗi kịch bản có thể hiểu rằng chỉ cho một xử lý SR cần hơn 1000MHz của một DSP 4MAC/chu kỳ giống như TMS3320C64x TM Vì vậy, một giải pháp được đề xuất là sẽ làm tăng các tài nguyên DSP với các bộ đồng xử lý mềm dẻo Giải pháp sử dụng các FCP này tạo ra tần số khoảng 118 MHz Điều này làm giảm 10 lần tải xử lý Các FCP giải mã kênh này có thể được thực hiện bên ngoài, còn chi phí, công suất và hiệu suất có thể tối ưu hơn bằng việc tích hợp các bộ đồng xử lý mềm dẻo trên DSP và thiết kế chúng để mang lại sự tiến bộ của kiến trúc DSP.

Bảng 3.1: Các phân tích tốc độ ký hiệu cho hai kịch bản để so sánh phương pháp chỉ sử dụng DSP với phương pháp DSP + FCP.

Mã hóa tốc độ ký hiệu a 29 29 53 53 5 Mbits (số liệu)

Giải mã tốc độ ký hiệu

(ngoài các bộ mã hóa xoắn và Turbo)

Bộ mã hóa xoắn 211 ~2 c N/A N/A 18 kbytes (số liệu)

Bộ mã hóa Turbo N/A N/A ~800+ ~5 d 46 kbytes (số liệu)

DSP tổng + các bộ đồng xử lý ~48 ~75 aMã hóa tốc độ ký hiệu bao gồm: Bộ mã hóa CRC, bộ mã hóa xoắn hoặc turbo, đan xen mức 1, ghép tốc độ, đan xen mức 2, ghép (cho thoại). bGiải mã tốc độ ký hiệu bao gồm: Giải đan xen mức 2, tách (kênh), giải ghép tốc độ, giải đan xen mức 1, kiểm tra CRC Các yêu cầu bộ giải mã xoắn và turbo được chỉ riêng ra khi so sánh các thực hiện phần cứng và phần mềm. cCho điều khiển trong DSP và 20% của một bộ đồng xử lý Viterbi chạy tại C64xCPU/4. dCho điều khiển DSP và 10% của một bộ đồng xử lý mềm dẻo chạy tại C64x CPU/2.

3.3.2 Phân tích xử lý CR

Xử lý CR bao gồm nhiều chức năng Trên đường lên, bộ giải trải phổ RAKE, bộ tìm kiếm truy nhập và lưu lượng, sự ước tính kênh và MRC là chiếm nhiều thủ tục trong một giây nhất Các chức năng khác (bắt, ấn định ngón, DLL) được xem xét như các chức năng điều khiển và không yêu cầu nhiều công suất xử lý Trong đường xuống, chức năng quan trọng nhất là bộ trải phổ Bộ trải phổ cũng được thực hiện trong phần cứng Như đã giải thích trong phần 3.2, khối tính tính toán BTS được chi phối bởi bộ thu đường lên, vì vậy bộ trải phổ đường xuống không được đề cập trong phân tích này.

3.3.2.1 Phân tích bộ thu đường lên

Bộ giải trải phổ RAKE và các bộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng sử dụng thao tác cơ bản giống nhau: giả tạp âm (PN) và giải trải phổ hàm Walsh Thao tác này bao gồm việc tạo các chuỗi Walsh và giả tạp âm được định thời hợp lý và thực hiện sự tương quan giữa các chuỗi được tạo ra và các chuỗi chip đến Các tương quan này được thực hiện tại CR Bộ giải trải phổ RAKE và bộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng cũng thực hiện ước tính năng lượng và tích lũy không kết hợp, nhưng các chức năng này yêu cầu công suất xử lý thấp hơn các tương quan.

Thuật toán ước tính kênh sẽ quyết định các hệ số hiệu chỉnh pha cần dùng trong MRC Thuật toán ước tính kênh dựa trên một bộ lọc trung bình đa khe theo trọng số (WMSA) và tính phức tạp của bộ lọc này là tính phức tạp của một FIR hoạt động trên một khe cơ sở (đang xem xét một hệ số hiệu chỉnh pha trên mỗi khe) Sử dụng các hệ số hiệu chỉnh pha được tính toán trước cho mỗi đường, MRC có thể tái kết hợp tất cả các đường với nhau để cung cấp các ký hiệu tới phần xử lý SR MRC thực hiện một phép nhân phức trên mỗi đường (nhân phức của tín hiệu giải trải phổ với hệ số hiệu chỉnh pha) và sau đó cộng tất cả các ký hiệu đã được hiệu chỉnh lại với nhau để cung cấp các ký hiệu đã kết hợp cho các chức năng xử lý SR còn lại Thông thường MRC chạy tại SR; đó là một phép nhân phức được thực hiện tại SR Khi đó tốc độ này có thể cao hơn do việc thay đổi hoặc không biết các hệ số trải phổ.

Như đã nói từ trước, tốc độ chip của tiêu chuẩn 3G là 3,6864 Mcps cho IS-2000 và 3,84 Mcps cho 3GPP Rõ ràng, các tốc độ chip cao này làm tăng số lượng các thao tác trong một giây cần thiết cho việc xử lý CR Khi xem xét các tốc độ chip này và số lượng người sử dụng yêu cầu được hỗ trợ (như được chỉ ra bởi các nhà sản xuất trạm gốc) công suất xử lý cần cho bộ giải trải phổ RAKE và bộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng nằm trong phạm vi của 10-30 GOPS cho 64 người sử dụng Như đã nói trong phần trước, nó sẽ yêu cầu nhiều DSP hiệu suất cao để thực hiện các chức năng bộ thu

CR đường lên đa kênh của một hệ thống CDMA Vì vậy, có vẻ như một phương pháp dựa vào phần mềm hoàn toàn để xử lý CR là không thể thực hiện mà vẫn hiệu quả về mặt chi phí.

3.3.2.2 Sử dụng một bộ đồng xử lý Để hỗ trợ một số lượng lớn người sử dụng trên mỗi DSP, một giải pháp phần cứng là cần thiết cho xử lý CR để tối thiểu chi phí Giải pháp này có thể tạo ra một bộ đồng xử lý tương quan ASIC bên ngoài cho DSP Tuy nhiên, nó phải có tính mềm dẻo. Để cung cấp một mức mềm dẻo cao cho giải pháp, các chức năng thực hiện trên bộ đồng xử lý phải nằm dưới sự điều khiển của DSP, phải cung cấp một mức cao về khả năng lập trình và phải được tham số hóa tốt.

Một CCP có thể được bổ sung để hỗ trợ DSP trong các chức năng CR cho giải trải phổ RAKE và tìm kiếm truy nhập/lưu lượng Tính mềm dẻo có thể được duy trì theo một cách hiệu quả về mặt chi phí bằng việc thiết kế cẩn thận tính mềm dẻo nhờ một số phương pháp khác nhau, tạo thành khối tương quan DSP có thể lập trình CCP nhờ sử dụng một tập các thao tác hoặc các lệnh CCP này được thảo luận trong phần sau.

Tính mềm dẻo trong giải pháp chung có thể đạt được một phần bằng việc cho phép sự ước tính kênh và MRC được thực hiện trong phần mềm trên DSP Tương tự như vậy, DSP thực hiện tất cả các nhiệm vụ điều khiển như ấn định ngón, khôi phục định thời và hiệu chỉnh dựa trên các kết quả được thực hiện từ CCP Tính mềm dẻo này cho phép các nhà thiết kế hệ thống thực hiện các thuật toán và phương pháp riêng để tăng hiệu suất Nó cũng cho phép các thay đổi và nâng cấp về sau Sự ước tính kênh chỉ là một ví dụ của một chức năng, có thể được thực hiện bằng phương pháp được cải tiến sẽ làm tăng hiệu suất.

Bảng 3.2 chỉ ra các yêu cầu tính toán CR cơ bản, giả thiết 64 người sử dụng với 4 hướng cho mỗi người sử dụng Hai trường hợp được đưa ra: chỉ sử dụng DSP TMS320C64x TM và sử dụng DSP kết hợp với CCP CCP là một bộ phận của một lớp các FCP được mô tả trong phần sau.

Bảng 3.2: Phân tích CR so sánh phương pháp chỉ DSP với phương pháp DSP +

CCP cho các chức năng quan trọng

C64x (BOPS hay MHz) C64x + CCP (MHz) Bộ nhớ

Bộ giải trải phổ RAKE (CCP) a ~10 BOPS Không đáng kể 3 Mbits

Bộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng (CCP) b ~20 BOPS Không đáng kể 1 Mbits

MRC 200 MHz 200 5 Mbits Ước tính kênh dựa trên WMSA 10 MHz 10 64 Kbits

Các chức năng điều khiển (bắt, ấn định ngón, dò tìm,…) 20 MHz 20 80 Kbits aBộ giải trải phổ RAKE được ước tính để thực hiện 250 K cổng trong CCP tại tần số 80 MHz. bBộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng được ước tính để thực hiện 275 K cổng trongCCP tại tần số 80 MHz.

Các giải pháp bộ đồng xử lý mềm dẻo

Khái niệm FCP dưới đây là để ghép giữa ý tưởng của việc tăng tốc độ phần cứng với ý tưởng tính mềm dẻo đáng kể của chức năng triển khai, có lẽ là tới bán lập trình. Điều này bao gồm chiến lược phát triển được nhận thức tốt và các giao diện hiệu quả với DSP lõi, cả tại mức vật lý và các mức hoạt động cao hơn Đối với kiến trúc trạm gốc 3G, một giải pháp rất đắc lực và hiệu quả về chi phí đã được đưa ra bằng việc thực hiện một DSP TMS320C64xTM với 3 FCP: Bộ giải mã Viterbi, bộ giải mã Turbo và CCP Những thành phần này được mô tả trong các phần dưới đây Thêm vào đó, một bộ xử lý truyền thông DSP mới của Texas Instruments là TMS320C6416 TM , kết hợp bộ giải mã Viterbi và bộ giải mã Turbo theo một hình thức ghép chặt với chính DSP.

3.4.1 Bộ đồng xử lý giải mã xoắn Viterbi

Một bộ giải mã Viterbi thường được sử dụng để giải mã các mã xoắn sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến Thuật toán này bao gồm hai bước: 1- tính toán trạng thái hoặc các ma trận hướng phát thông qua biểu đồ lưới của mã; 2- sử dụng các kết quả lưu trữ từ bước 1, thực hiện hướng ngược, nhờ số liệu này để xây dựng từ mã giống nhất với từ mã được phát (được hiểu là dò tìm) Việc tính toán ma trận trạng thái đòi hỏi tính toán dò tìm sâu hơn và chủ yếu bao gồm các toán tử cộng, so sánh và lựa chọn(ACS) Một thao tác ACS quyết định giá trị tiếp theo của mỗi ma trận trạng thái trong biểu đồ lưới và thực hiện thao tác này bằng việc lựa chọn kết quả lớn nhất của hai ma trận thích hợp, một ma trận từ mỗi nhánh nhập vào trạng thái Các ma trận thích hợp đến từ việc cộng ma trận nhánh tương ứng với ma trận trạng thái tương ứng trước đó.Các ma trận nhánh nhận được từ số liệu thu được sẽ được giải mã Thêm vào đó, thao tác ASIC lưu trữ nhánh được chọn để sử dụng trong quá trình xử lý dò tìm.

Hình 3.2: Kiến trúc mức cao bộ đồng xử lý giải mã Viterbi

Kiến trúc mức trên của bộ đồng xử lý Viterbi mềm dẻo (VCP) được chỉ ra trong hình 3.2 và bao gồm ba khối chính: khối ma trận trạng thái, khối dò tìm và khối giao diện DSP Khi hoạt động tại tần số 80 MHz (160 MHz cho bộ nhớ của nó), khối ma trận trạng thái có thể thực hiện 320x10 6 thao tác ACS trên giây, và VCP có thể giải mã tại tốc độ 2,5Mbps Điều này là tương đương với trên 200 kênh thoại cho các hệ thống vô tuyến 3G. Để hoàn thành điều này trong khi giảm băng thông bộ nhớ ma trận tới mức đủ hợp lý thì cấu trúc xếp tầng trong hình 3.3 được thực hiện Thực tế, cấu trúc này hoạt động trên một cơ số 16 biểu đồ lưới con (16 trạng thái trên 4 tầng) và vì vậy bỏ quả I/O bộ nhớ cho 3 trong 4 tầng biểu đồ lưới dẫn đến giảm 75% băng thông Đường số liệu này kết hợp một thanh ghi trao đổi duy nhất nhờ 4 bit đường biểu đồ lưới (được gọi là tiền dò tìm) Các đoạn 4 bit sẽ không cần dò tìm nhiều, chúng có thể được sử dụng như các phần trọn vẹn trong xử lý dò tìm Điều này cho phép dò tìm nhanh hơn. Cấu trúc xếp tầng này cũng có thể hoạt động tại các chiều dài đã được giảm (giảm số lượng các tầng); cụ thể là 3 tầng, 2 tầng, hoặc là 1 tầng Tương tự như vậy trao đổi thanh ghi kết hợp tương ứng giống như trên sẽ đem lại các kết quả tiền dò tìm của cùng chiều dài bit.

Hình 3.3: Đường số liệu tầng cơ số 16 của tính toán ma trận trạng thái

Khối dò tìm hoạt động theo kiểu truyền thống để trở lại đường tắt Điều này liên quan đến chu kỳ lặp của việc đọc bộ nhớ dò tìm để thu được đoạn từ yêu cầu, phản ánh các quyết định đường ưu tiên, dịch các đoạn từ này vào thanh ghi chỉ số trạng thái để định dạng chỉ số trạng thái tiếp theo cho dò tìm, và sử dụng số liệu này để định dạng địa chỉ bộ nhớ Tuy nhiên, thiết kế của chúng ta có thể di chuyển ngược lại 4 tầng tại một thời điểm nhờ tiền dò tìm đã đề cập ở trên.

Tính mềm dẻo là một mục đích quan trọng trong thiết kế của VCP Nó có thể hoạt động trên thanh ghi dịch đơn các mã xoắn với chiều dài K = 9, 8, 7, 6, 5; và các tỷ lệ mã 1/2, 1/3, và 1/4 Các đa thức xác định cho mã mong muốn được nhập vào VCP cũng cho phép chích mẫu bất kỳ, có các phương pháp tham số hóa để nhân chia các khung cho dò tìm, vì vậy về cơ bản kích thước khung không phải là vấn đề quan trọng.

Và khoảng các độ hội tụ có thể được chỉ ra cho các khung đã phân chia Do đó, thực hiện VCP hầu như có thể giải mã được mã xoắn mong muốn bất kỳ tìm thấy trong các tiêu chuẩn vô tuyến 2G, 2,5G và 3G.

Thao tác hiệu quả với một DSP cũng có thể đạt được bởi bộ nhớ gắn với thiết bị, bằng việc cho phép các chuyển đổi số liệu khối tới đầu vào và/hoặc đầu ra đồng thời với việc giải mã, và bằng việc cung cấp nhiều đường tín hiệu khác nhau cho sự đồng bộ DSP/DMA.

Bộ giải mã này rất nhỏ nhưng thông lượng rất cao nên nó hiệu quả về mặt chi phí hơn một phương pháp phần mềm Điều này giải phóng DSP để xử lý nhiều kênh hơn và/hoặc thực hiện các thuật toán truyền thông tiến bộ hơn.

3.4.2 Bộ đồng xử lý giải mã turbo

Các bộ mã hóa turbo được sử dụng trong cả hai tiêu chuẩn vô tuyến 3GPP và IS-

2000 Các bộ mã hóa turbo được biểu diễn trong hình 3.4 có thể nhận được hiệu suất BER -6 tại SNR=1,5dB Bộ mã hóa turbo bao gồm hai bộ mã hóa xoắn hệ thống đệ quy (RSCC) được mắc song song, kết hợp với bộ đan xen như chỉ ra trong hình 3.4.

Hình 3.4: Bộ mã hóa Turbo

Các bit thông tin được gửi đến cả hai RSCC Các bit thông tin qua RSCC bên dưới được đan xen trước khi đến bộ mã hóa Đầu ra của cả hai RSCC là 3 bit, được kết hợp nối tiếp và sau đó được truyền trên kênh Bit theo phương pháp đan xen từ RSCC dưới không được truyền bởi vì nó là dư Điều này cho phép 5 bit được chích ra để thực hiện một tỷ lệ mã: 1/4, 1/3, hay 1/2.

Bộ giải mã turbo là một bộ giải mã lặp sử dụng thuật toán MAP (Maximum A Posteriory)[1] Mỗi phép lặp của bộ giải mã thực hiện bộ giải mã MAP hai lần Bộ giải mã MAP thứ nhất sử dụng số liệu không đan xen và bộ giải mã MAP thứ hai sử dụng số liệu đan xen Trong mỗi phép lặp, mỗi bộ giải mã MAP cấp cho các bộ giải mã MAP khác một tập hợp mới các ước tính ưu tiên của các bit thông tin, thông thường được gọi là các tác động từ bên ngoài vào Trong cách này hai bộ giải mã MAP có thể hội tụ tới một giải pháp.

Số liệu thu được từ kênh cần thiết được chia tỷ lệ trước bởi (trong đó là sự thay đổi tạp âm tín hiệu) sử dụng bởi các bộ giải mã MAP Việc chia tỷ lệ này được thực hiện bởi DSP.

Kiến trúc TCP cơ bản được biểu diễn trong hình 3.5 Điều khiển mềm dẻo cho phép TCP được cấu hình để làm việc trong một vài chế độ Trong chế độ đơn giản nhất, DSP tải toàn bộ một khối số liệu giữa các giải mã MAP và nó thực hiện một giải mã MAP trên số liệu Các kết quả được gửi trở lại DSP Điều này có nghĩa là DSP sẽ đan xen số liệu giữa các giải mã MAP và vì vậy liên quan đến mọi phép lặp của giải mã turbo Các bộ chuyển đổi số liệu được điều khiển một cách hiệu quả bởi sự tự động trong khối DMA tăng cường (EDMA) của DSP.

Hình 3.5: Kiến trúc bộ đồng xử lý Turbo

Chế độ hoạt động đặc biệt này cho phép TCP hoạt động trên nhiều loại mã hơn trong 3G, miễn là chúng sử dụng cùng các RSCC thành phần.

TCP cũng có thể được thiết lập để thực hiện một vài phép lặp không cần sự can thiệp của DSP Điều này giảm rất nhiều băng thông bus yêu cầu vì các kết quả trung gian không cần di chuyển vào và ra Trong chế độ này, TCP sử dụng một bảng tra cứu để thực hiện đan xen và vì vậy có thể thực hiện đủ số phép lặp như yêu cầu để hội tụ.

Bộ điều khiển TCP phụ trách việc ghi đối xứng, chẵn/lẻ, và độ ưu tiên của số liệu một cách chính xác tới bộ giải mã MAP Sau khi giải mã thành công, DSP sẽ thu được số liệu đã hiệu chỉnh, thông thường qua EDMA. Để tối thiểu sự tiêu thụ công suất, thông thường người ta sử dụng một tiêu chuẩn dừng, đó là một chức năng của các đầu ra bộ giải mã MAP và được sử dụng để quyết định khi nào sự hội tụ xuất hiện Tiêu chuẩn dừng chỉ ra rằng mặc dù cần tối đa 8-10 phép lặp nhưng để đạt được hiệu suất tốt nhất của giải mã turbo, trong hầu hết thời gian, chỉ 3- 4 phép lặp là cần thiết cho sự hội tụ Vì vậy, một tiêu chuẩn dừng có thể có một tác động quan trọng trên các yêu cầu MIPs trung bình và mức công suất trung bình TCP có một tiêu chuẩn dừng riêng để sử dụng trong chế độ đa tiêu chuẩn Tất nhiên, trong chế độ giải mã MAP đơn, DSP là tự do để áp dụng tiêu chuẩn dừng bất kỳ. Đối với các kích thước khối rất lớn (trong IS-2000 khối turbo có thể rộng 20Kbits), bộ giải mã turbo có thể thực hiện một giải mã MAP một phần sử dụng kỹ thuật cửa sổ trượt Trong trường hợp này EDMA cung cấp cho TCP số liệu, chẵn lẻ và độ ưu tiên cho một phần của khối số liệu (từ mã) để thực hiện một phần của một giải mã MAP.

Tổng kết

Mục đích công việc của chương này là đưa ra một giải pháp lớp vật lý tốt hơn cho thị trường trạm gốc vô tuyến 3G đang phát triển Các thách thức quan trọng cần được giải quyết là: công suất tính toán đủ cho một số lượng lớn các kênh trên mỗi khối, hiệu quả về mặt chi phí, và mức mềm dẻo cao Phương pháp đã được thảo luận trong chương này đạt được cả ba mục tiêu đó.

Từ các phân tích được chỉ ra trong chương, với 64 người sử dụng, xử lý tốc độ ký hiệu cần 1100 MHz trên một TMS320C64x TM , và xử lý CR yêu cầu 30 BOPS, với giả thiết rằng chỉ có một DSP được sử dụng Giải mã hiệu chỉnh lỗi trước chi phối phần

SR, trong khi các sự hiệu chỉnh CDMA chi phối phần CR Để thực hiện một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí, rõ ràng sự hỗ trợ phần cứng bổ sung là cần thiết.

Khái niệm vừa giới thiệu tận dụng kiến trúc DSP mới nhất của Texas Instruments, TMS320C64x TM , được ghép với 3 FCP: một bộ giải mã Viterbi, một bộ giải mã Turbo, và một CCP Các FCP được thiết kế cực kỳ hiệu quả theo quan điểm số phép tính trên diện tích vùng silicon, đồng thời cũng rất mềm dẻo theo quan điểm hoạt động Thêm vào đó, chúng được thiết kế để giao diện với DSP một cách hiệu quả để cực tiểu phần bổ sung DSP trong số liệu và các tương tác lệnh Tính mềm dẻo được thực hiện trong các FCP bằng việc xây dựng chúng theo phương pháp điều khiển lệnh, tham số hóa, và hơn nữa là thực hiện bán lập trình, như vậy chúng có thể được sử dụng cho gần như mọi trường hợp sẽ được định nghĩa trong các tiêu chuẩn.

Trên hết, tính mềm dẻo là lợi thế và cần thiết vì một số lý do Trong thực tế, tính mềm dẻo cho phép ghép và/hoặc thay đổi các tiêu chuẩn để sử dụng cùng thiết bị, có thể thực hiện nhanh chóng các cải tiến và thay đổi đối với các thuật toán, thực hiện tốt các tăng cường và kết hợp được nhiều kênh hơn Nó cũng cho phép nhiều phương pháp phân chia hệ thống thành các thiết bị xử lý Các ví dụ bao gồm: phân chia giữa kết hợp xử lý đường lên và đường xuống, hoặc phân chia theo chức năng cho nhiều kênh thành một khối đơn Sau cùng, tính mềm dẻo cung cấp một phương tiện cho OEM để phân biệt các sản phẩm của chúng.

Cũng bởi vì công suất của DSP TMS320C64x TM của TI, nên giải pháp này cho phép trong tương lai, phát triển các phương pháp nhằm xử lý tín hiệu trạm gốc Đặc biệt, các kỹ thuật như tạo búp sóng thích ứng, khử nhiễu và nhận biết nhiều người sử dụng có thể được thực hiện trên nền kiến trúc này Gần đây, Texas Instruments đã đưa ra TMS320C6416, kết hợp các bộ đồng xử lý VCP và TCP vào DSP.

Tính mềm dẻo và lượng lớn công suất tính toán đạt được với phương pháp vừa trình bày ở trên là nhờ khả năng to lớn của DSP TMS320C64x TM của TI cùng với các bộ đồng xử lý mềm dẻo đặc biệt Kết quả là có một giải pháp rất có sức cạnh tranh và hiệu quả về mặt chi phí.

SỬ DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG XỬ LÝ DÀN ANTEN

Giới thiệu

Việc tăng nhu cầu cho các dịch vụ truyền thông và mong muốn tăng thông lượng số liệu trong các hệ thống truyền thông hiện đại được nghiên cứu và phát triển trong việc sử dụng các dàn anten thích ứng Vì độ rộng băng tần được cung cấp nhỏ và mua với giá rất đắt, nên khả năng phân tách các người sử dụng được dựa trên các tham số không gian của chúng là rất hấp dẫn cho các mạng vô tuyến.

Các dàn anten thích ứng cung cấp khả năng tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của một đoạn nối truyền thông vô tuyến đồng thời thực hiện khử và xóa bỏ nhiễu đồng kênh Bởi vì một dàn anten thích ứng này có thể được sử dụng cho cả việc tăng đột ngột tốc độ số liệu của các đoạn nối truyền thông cũng như tăng số lượng người sử dụng trên mỗi ô mà một mạng vô tuyến có thể phục vụ.

Khi công suất theo tính toán của các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hiện đại tăng, có thể đưa các thuật toán dàn thích ứng vào các bộ xử lý này DSP đóng vai trò then chốt trong tính khả thi của các hệ thống này Nhiều thuật toán dàn thích ứng mờ yêu cầu phân bước, xử lý lặp hay yêu cầu bảo trì và có khả năng mềm dẻo cao khiến cho việc đưa chúng vào trong các ASIC gặp khó khăn Tuy nhiên, điều này là lý tưởng để có một DSP đủ mạnh Với sự phát triển phổ biến và tính mềm dẻo của các phần mềm vô tuyến, các DSP sẽ vẫn tiếp tục đóng vai trò then chốt trong việc thiết kế các hệ thống này.

Sơ đồ khối lý thuyết của một bộ xử lý dàn thích ứng được cho trong hình 4.4. Thành phần DSP của bộ xử lý bao gồm nhiều tầng xử lý các đường dẫn từ một anten được số hóa DSP bao gồm ứng dụng của các trọng số bộ thu, và sự thích ứng các trọng số đó Trong trường hợp đơn giản nhất, các trọng số được áp dụng cho số liệu được cố định trước, và đối với các anten sector, phải lựa chọn một phần tử anten có độ lợi lớn nhất trong hướng của tín hiệu quan tâm (SOI: Signal Of Interest).

Một ví dụ của phương pháp cố định búp sóng được biểu diễn trong hình 4.1 Mỗi phần tử trong số 5 phần tử anten có một mẫu độ lợi riêng tương ứng một góc nhìn riêng và bằng nhau, sẽ có một mẫu tại đó thu được độ lợi tín hiệu lớn nhất Phần tử anten với độ lợi lớn nhất sẽ được chọn Trong ví dụ này, bộ phát SOI nằm giữa đáp ứng cực đại của 2 anten và chỉ lấy anten có độ lợi lớn hơn anten còn lại khi tính đến các nhiễu đồng kênh.

Hình 4.1: Lựa chọn một mẫu anten cố định để tăng cường thu SOI

Mặc dù phương pháp này có thể cho các độ lợi thực hiện, nhưng nó còn hạn chế trong việc tăng cường khả năng thực hiện với dàn thích ứng đầy đủ Ví dụ về một mẫu búp sóng cho một dàn thích ứng có cùng cấu hình anten được biểu diễn trong hình 4.6.Trong trường hợp này nhiễu bị khử hoàn toàn đồng thời tỷ số tín hiệu trên tạp âm củaSOI được tăng cường bởi các trọng số bơm búp sóng bộ thu.

Mô hình tín hiệu dàn anten

Hầu hết các thuật toán xử lý tín hiệu sử dụng một dàn anten nhiều phần tử thường dựa trên một mô hình tín hiệu đơn giản Xem xét mô hình bộ thu, phát được cho trong hình 4.2.

Hình 4.2: Mô hình bộ phát và phần tử dàn

Tâm của hệ tọa độ được chọn là tâm của dàn bộ thu Mỗi bộ cảm biến có một tọa độ trong không gian 3 chiểu được xác định bởi đến Vị trí của bộ phát tại Giả thiết , vì vậy sóng điện từ thu được xem như một sóng phẳng.

Giả sử bộ phát phát một sóng cầu lý tưởng tại một điểm trong không gian và tín hiệu phát là một tín hiệu sin phức băng tần gốc tại tần số trung tâm f và được biến đổi lên tần số sóng mang Một anten đẳng hướng lý tưởng được đặt tại một số điểm trong không gian r sẽ theo dõi một điện áp tại bộ phát có dạng:

- f là tần số tín hiệu băng gốc, là tần số sóng mang.

- c là tốc độ ánh sáng, A là một độ lợi phức.

- là vị trí bộ phát, r là vị trí anten thu. Đáp ứng tại phần tử anten k (vị trí ) theo bộ phát là:

(2) Sau khi biến đổi xuống tín hiệu băng gốc trở thành:

(3) Bởi vì nên ta có:

Trong đó: , và là góc giữa và

Phần rất nhỏ có thể bỏ qua, và trong đó bởi vì các phần tử bậc cao hơn trong các chuỗi Taylor có dạng và cũng có thể bỏ qua.

Khi đó có thể xấp xỉ băng tần gốc phức:

Trong đó: là bước sóng và là trễ trong truyền tải từ bộ phát đến dàn anten Phần bên phải trong (5) có dạng tín hiệu gốc hình sin trễ Phần còn lại của dàn tương ứng tại tần số f gần như là hằng số, độc lập với f, được cung cấp bởi:

Ta có: , trong đó là góc giữa và , như vậy điều kiện đáp ứng tần số của anten phẳng là:

Vế phải của (7) có giá trị trong khoảng 1GHz hoặc lớn hơn đối với một dàn anten bán kính 1 foot (0,3048 m) sử dụng trong một dải băng tổ ong Ban đầu đáp ứng dàn được xét là phẳng trên một độ rộng băng là 10-50MHz Nhưng trong thực tế có một số vấn đề hạn chế kết quả này Các hiệu ứng “trường gần” không lý tưởng và hiện tượng đa đường làm giảm sự bằng phẳng của đáp ứng anten một cách đột ngột.

Tuy nhiên, giả sử rằng đáp ứng dàn là phẳng trong băng tần gốc phức [0,B], đặt d(t) là một tín hiệu băng hẹp mà phổ của nó nằm trong độ rộng băng này Từ (5) ta có đáp ứng của anten k đối với d(t) là:

Thông thường bộ thu sẽ chứa một mạch đồng bộ với bộ phát, loại bỏ trễ bằng việc bắt đầu truyền dẫn sớm hơn, hoặc trễ tại cổng thu Phóng xạ nền trong các tia vũ trụ và tạp âm được đưa vào bộ thu Sau khi số hóa tín hiệu băng gốc thu được, có thể ghi tín hiệu thu được tại bộ cảm biến k:

(9) để lấy mẫu chu kỳ và quá trình tạp âm , bao gồm tác động của phóng xạ nền đã kể trên. Đặt , từ đó có phương trình anten băng tần hẹp:

(10)Trong đó: là vectơ nhận dạng theo không gian , hoặc vectơ độ mở dàn tại vectơ góc cosin định hướng gây ra bởi sóng từ bộ phát, và Phần tử thứ k của vectơ độ mở được đưa ra bởi hệ số độ lợi khi nhân vào vế phải của (8). Để hiểu hiện tượng đa đường hạn chế độ rộng băng cực đại B, hãy xem xét ảnh hưởng của K gương phản xạ trong môi trường như được biểu diễn trong hình 4.3 Mỗi gương phản xạ tự kích thích vectơ dàn, tạo ra tín hiệu thời gian liên tục băng tần gốc.

Trong đó: là vectơ nhận dạng theo không gian theo đường phản xạ thứ k, và là hệ số phản xạ phức. Ở đây giả thiết rằng bộ thu được đồng bộ theo đường trực tiếp (đường số 0), vì vậy là trễ đa đường giữa đường phản xạ và đường trực tiếp (dẫn đến ).

Hình 4.3: Mô hình bộ tạo búp sóng tuyến tính xử lý tại bộ thu Để thực hiện bơm búp sóng tuyến tính cần phải giữ dàn không đầy Điều đó có nghĩa rằng số bộ phát chính của dàn ít hơn M bộ cảm biến Tuy nhiên nếu có hiện tượng đa đường, số các bộ phát (emitter) sẽ được nhân lên bởi hệ số K Vì vậy trong một dàn anten 5 phần tử nếu có 3 bộ phát, mỗi bộ phát với 2 đa đường chính, dàn sẽ bị quá tải, do khi đó số bộ phát tương đương là 6 bộ phát, như vậy sẽ cản trở việc ứng dụng của kỹ thuật bơm búp sóng qui ước. Để giảm hiệu ứng này trên dàn, tín hiệu cần có băng tần đủ hẹp, có thể xấp xỉ:

(12) Nếu (12) đúng, khi đó (11) có thể được viết lại là:

Khi đó sẽ hợp nhất hiệu ứng đa đường vào trong một vectơ nhận dạng theo không gian đơn , mà không thay đổi kiến trúc cơ bản của giả thiết về anten băng tần hẹp.

Rõ ràng rằng (12) là đúng nếu

Do: (16) Đối với mụi trường tổ ong ở ngoại ụ, trễ RMS nhỏ hơn 2às Giả thiết một băng tần kết hợp được chia thành 20 băng nhỏ hơn, vậy mỗi băng nhỏ có độ rộng:

Các tín hiệu băng rộng này có thể được tạo thành các kênh và được xử lý trên một vài kênh con của băng thông B Tất nhiên trong thực tế, việc lựa chọn B sẽ phụ thuộc vào ứng dụng, kích thước của dàn và số lượng đa đường quan sát.

Các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính

Do tính đơn giản mà việc tạo búp sóng tuyến tính đóng một vai trò quan trọng trong xử lý dàn thích ứng Các độ lợi hiệu suất quan trọng có thể thu được bằng việc tăng tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm nhiễu (SINR: Signal-to-Interference Noise Power Ratio) và loại bỏ nhiễu đồng kênh Tạo búp sóng tuyến tính sử dụng các giải pháp DSP Trong nhiều trường hợp, ứng dụng của các trọng số kết hợp tuyến tính cũng như việc tính toán của các trọng số đó được thực hiện theo thời gian thực trong phần cứng DSP dành riêng.

Sơ đồ khối của một bộ tạo búp sóng tuyến tính tổng quát tại một bộ thu được biểu diễn trong hình 4.4 Bộ thu bao gồm M anten, và M chuỗi RF được số hóa vào băng tần gốc phức Bộ tạo búp sóng bao gồm một bộ kết hợp tuyến tính phức đơn giản với các trọng số kết hợp tuyến tính, Mỗi ống dẫn sóng từ anten sẽ được nhân với một trọng số phức và được cộng lại để thu được toàn bộ đáp ứng.

Hình 4.4: Bộ tạo búp sóng tuyến tính xử lý tại bộ thu

Thích ứng các trọng số bộ thu thường yêu cầu sử dụng thông tin thống kê nhận được từ vectơ số liệu thu x (n) Các vectơ này gồm các phần tử phức được số hóa khi được dẫn từ mỗi anten, và một tín hiệu tham khảo hay tín hiệu hướng dẫn d(n) Tín hiệu hướng dẫn được biết do thu được, hay được ước tính từ đầu ra của một CODEC hoặc bằng cách sử dụng các thuộc tính của SOI.

Nhiều thuật toán thích ứng trọng số được sử dụng bằng việc tối ưu hóa một hàm số để đánh giá hiệu năng của hệ thống Hàm được sử dụng phổ biến nhất là lỗi trung bình bình phương:

Hàm hiệu suất lỗi trung bình bình phương có thể được chứng minh phần nào đó bằng việc xem xét bộ ước tính gần đúng cực đại của SOI được đưa ra trong mô hình anten băng tần hẹp đã được thảo luận từ trước, với giả thiết thống kê đơn giản.

4.3.1 Đạo hàm gần đúng cực đại Để lập công thức một mô hình thống kê để ước tính các tham số tín hiệu chưa biết, giả thiết rằng các tín hiệu thu được trên một kênh vô tuyến được biến đổi hạ tần và đưa tới phần cứng DSP tại băng tần gốc phức Hàm gần đúng của tín hiệu thu được từ mô hình tín hiệu là:

(19)Trong đó x (n) là một vectơ số liệu thu phức tại thời điểm lấy mẫu n, a là một vectơ độ mở hay vectơ nhận dạng theo không gian thu phức , d(n) là ký hiệu thông tin được phát tại thời điểm n và i (n) là một vectơ nhiễu do tạp âm môi trường và các tín hiệu khác trong môi trường gây ra.

Số liệu thu là một vectơ nhận được từ M đường dẫn số hóa từ các anten và nhiều tần số hoặc các phân cực Băng thông của dạng sóng thu được giả thiết là tương đối nhỏ so với băng thông kết hợp của kênh vô tuyến vì vậy mà trên băng thông này có các đặc tính fading phẳng và có thể được xử lý như một phép nhân với hằng số phức.

Chỉ số lấy mẫu n có thể bao gồm các nhóm tần số gần kề nếu tín hiệu được mã hóa kênh với điều chế đa tần rời rạc (DMT: Discrete Multitone Modulation) và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Nếu giả thiết rằng các trễ tín hiệu lớn được loại bỏ thông qua xử lý tín hiệu hay thông qua một sự điều chỉnh các thời điểm bắt đầu của bộ phát.

Phân tích toán học được thực hiện đơn giản nếu một khối số liệu N mẫu được xử lý tại thời điểm đến và các vectơ thu được lưu trữ theo kiểu ngăn xếp vào một ma trận. Khi đó, số liệu thu và các ma trận tín hiệu được định nghĩa bởi:

Khi đó (19) tương đương với:

Nếu giả sử rằng i (n) là một vectơ ngẫu nhiên Gauss phức, đối xứng đều, với ma trận hiệp biến chưa biết , vectơ độ mở a là chưa biết và tất định, chúng ta có thể tính hàm gần đúng theo logarit cho mô hình tín hiệu này [22]

Tính giá trị cực đại của biểu thức này theo a thu được , chúng ta thay thế vào phương trình (24) ta được:

Tối ưu hóa ma trận hiệp biến nhiễu chưa biết, thay thế trong (25) thu được:

Từ phép tính ma trận lưu ý rằng và cho một ma trận xác định dương J và một ma trận xác định dương tùy ý Y Vì vậy sau khi phân biệt hàm gần đúng cực đại trong (26) liên quan tới J * và đưa kết quả về 0 thì J tối ưu có thể được tính như sau:

Thay thế của J tối ưu vào hàm gần đúng (26), khi đó ta có

Sử dụng định nghĩa , (27) có thể được viết như sau:

Tính giá trị cực đại của (28) tương đương với giá trị cực đại đại lượng sau:

Với là một tập hợp độc lập tín hiệu xấp xỉ cho ứng dụng đưa ra.

Ví dụ về các tập hợp ràng buộc có thể bao gồm: một tập hợp các dạng sóng đã biết, hoặc các ký hiệu chọn từ một lớp các nhóm đã biết, hoặc các tín hiệu có modun không đổi, hoặc các tín hiệu liên quan trong một không gian con đã biết Mỗi loại tập hợp này có thể được sử dụng trong một thuật toán duy nhất Hàm gần đúng trong (30) có mối quan hệ với hàm lỗi trung bình bình phương (MSE) cực tiểu:

(31) khi phân biệt hàm lỗi trung bình bình phương chuẩn (NMSE)

(32) với w * và đưa kết quả về 0 để tìm ra w Khi đó tìm được một giá trị w tối ưu được đưa ra bởi các phương trình thông thường:

Giải (33) có sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu (LS)

Công thức của các hàm MSE và NMSE tương đương nhau trong trường hợp các tín hiệu hướng dẫn đã biết, hay các tín hiệu có trung bình bình phương không đổi trên khối thích ứng (nghĩa là các tín hiệu có modun không đổi) Nếu có nhiều điều kiện ràng buộc hơn sẽ có nhiều kiểu tạo búp sóng thích ứng mờ khác, công thức của NMSE được sử dụng nhiều hơn.

Cũng có thể lập công thức hàm gần đúng theo SINR tại đầu ra của bộ tạo búp sóng SINR trung bình theo thời gian được định nghĩa bởi:

Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm đích NMSE với biến w tương đương với tìm giá trị lớn nhất của SINR trung bình theo thời gian, trong khi vectơ nhận dạng theo không gian a được thay thế bởi ước tính gần đúng cực đại của nó SINR trong trường hợp này được ước tính là:

Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)

4.4.1 Mô hình hệ thống tuyến tính MIMO

Trong phần này chúng ta xem xét trường hợp một hệ thống truyền thông thời gian rời rạc, điều chế tuyến tính, bất biến thời gian với t đầu vào và r đầu ra Như vậy, một hệ thống có thể được thể hiện tổng quát bởi phương trình vào - ra tuyến tính:

(119) Trong đó là ma trận kênh MIMO hiệu dụng sắp xếp một vectơ các đầu vào kênh ngẫu nhiên u của phân bố chung tùy ý và là tạp âm kênh Gaussian cộng, x là vectơ quan sát Không mất tính tổng quát, giả thiết rằng u - vectơ đầu vào kênh có trung bình bằng 0, nó có thể được phân chia thành các thành phần mong muốn và thành phần phụ: Trong trường hợp này cần phải ước tính dựa vào vectơ quan sát x Trong thực tế việc này khó thực hiện, do các tín hiệu mong muốn có thể gây nhiễu cho tín hiệu khác và các tín hiệu phụ cũng có thể làm sai lệch kết quả quan sát Công thức tổng quát này cho phép các thành phần mong muốn và thành phần phụ của vectơ đầu vào kênh được tạo ra bởi các quá trình ngẫu nhiên với phân bố chung tùy ý Các ví dụ sau minh họa tính tổng quát của công thức này.

* Các ví dụ hệ thống truyền thông MIMO

Ví dụ 1: Trước tiên chúng ta xem xét trường hợp đơn giản sau: một người dùng có một anten đơn phát một cụm N ký hiệu qua một kênh truyền thông đa đường tới một bộ thu cũng sử dụng một anten đơn “Kênh” trong trường hợp này thể hiện các hiệu ứng kết hợp của bộ lọc định dạng xung phát, kênh truyền thực tế giữa anten phát và thu, chu kỳ lọc đầu vào bộ thu để lấy mẫu Giả thiết rằng trễ kênh bị giới hạn bởi chu kỳ ký hiệu và bộ thu lấy mẫu toàn bộ tín hiệu thu theo tốc độ baud, chúng ta có mô hình hệ thống MIMO với t = N đầu vào và r = N+L-1 đầu ra Ma trận kênh một người sử dụng có dạng Toeplitz

Trong đó là đáp ứng xung lấy mẫu theo tốc độ baud của kênh FIR.

Từ công thức trên ta thấy ở bộ thu có thể quan sát toàn bộ quá trình truyền dẫn. Tuy vậy điều này xem ra là không thực tế khi giá trị của N lớn, không cho phép các hệ thống truyền thông phát luồng số liệu liên tục Trong trường hợp này, bộ thu phải quan sát từng phần để đánh giá (các) tín hiệu mong muốn Mô hình MIMO vẫn còn giá trị nhưng cần phải xây dựng ma trận kênh một người dùng trong trường hợp quan sát từng phần Ma trận này là ma trận con được tạo ra bằng cách lấy r hàng từ ma trận kênh một người dùng trong trường hợp quan sát toàn phần được đưa ra trong (120).

Ma trận kênh một người dùng khi quan sát từng phần cũng có cấu trúc Toeplitz như sau:

Trong trường này, hệ thống MIMO có r đầu ra và t = r + L - 1 đầu vào.

Lưu ý rằng trong trường hợp quan sát toàn phần, ma trận kênh MIMO có hạng cột đầy đủ khi nó là một ma trận “cao” Trong trường hợp quan sát từng phần, hạng cột không đầy đủ vì ma trận là không “cao” Điều kiện hạng cột đầy đủ có quan hệ mật thiết với các kỹ thuật ước tính tuyến tính được thảo luận sau trong chương này.

Ví dụ 2: Ở đây, chúng ta mở rộng ví dụ đầu tiên bằng việc xem xét trường hợp nhiều anten thu Lấy là số anten thu Trong trường hợp này, số lần quan sát tại đầu ra được nhân bởi hệ số nhưng số lượng đầu vào của ma trận kênh MIMO vẫn không thay đổi Giả sử rằng trễ cực đại trên tất cả kênh truyền được giới hạn trên bởi , ma trận kênh MIMO có thể được cho như sau:

Trong đó là ma trận kênh một người sử dụng thể hiện kênh nối giữa những người sử dụng và anten thu thứ m.

Lưa ý rằng sự có mặt thêm của các anten thu này có thể tạo ra một ma trận kênhMIMO với hạng cột đầy đủ thậm chí ngay cả trong trường hợp không tồn tại ma trận kênh con riêng có hạng cột đầy đủ Điều này rất quan trọng đối với dung lượng kênhMIMO và các giải pháp trong trường hợp tất cả đầu vào kênh đều bằng 0 sẽ được thảo luận sau Rõ ràng, có thể lựa chọn đủ lớn để ma trận H trở thành “cao” trong trường hợp này Tuy nhiên, “cao” chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ để có hạng cột đầy đủ Hạng cột chỉ đầy đủ khi có sự khác biệt các kênh con đủ lớn giữa Mr tín hiệu thu được với tất cả t tín hiệu đầu vào kênh MIMO trong trường hợp không có tạp âm.

Có thể chỉ ra rằng việc lấy mẫu nhanh (oversampling) (lấy mẫu nhanh hơn tốc độ baud) tại đầu vào bộ thu có ảnh hưởng đến kích thước của ma trận kênh MIMO khi có nhiều anten thu.

Trong hệ thống MIMO, các dàn anten và việc lấy mẫu nhanh có nét tương tự nhau với mục đích tận dụng tính đa dạng trong hệ thống truyền thông bằng cách tạo nhiều kênh con mà nhờ đó có thể quan sát được quá trình truyền thông tin người sử dụng Tuy nhiên, các phương pháp này khác nhau về mặt vật lý khi chúng thiết lập các kênh con Các dàn anten tạo các kênh con riêng theo không gian, trong khi việc lấy mẫu nhanh tạo ra các kênh con theo thời gian.

Các dàn anten không có khả năng tạo ra tính đa dạng trong trường hợp các anten thu không được phân tách hiệu quả trong không gian Việc lấy mẫu nhanh cũng không có khả năng tạo ra tính đa dạng khi truyền dẫn không có đủ băng thông vượt quá giới hạn Trong cả hai trường hợp, không tận dụng được tính đa dạng khi các kênh con quá giống nhau khiến cho bộ thu khó tách riêng chúng ra với nhau.

Ví dụ 3: Ở đây, chúng ta lại mở rộng ví dụ trước bằng việc xem xét trường hợp nhiều anten phát Ví dụ này áp dụng cho trường hợp có một hoặc nhiều người sử dụng, mỗi người sử dụng với một hoặc nhiều anten phát, phát các ký hiệu tới bộ thu cũng sử dụng một hoặc nhiều anten Giả sử rằng mỗi anten phát có tập hợp các ký hiệu có phân bố tùy ý Phân bố này có thể phụ thuộc hoặc không phụ thuộc với các ký hiệu của các anten phát khác Chúng ta cũng cần lưu ý rằng, như trong các ví dụ trước, các ký hiệu có thể được phân thành các thành phần mong muốn và thành phần phụ.

Nếu số anten phát là và giả sử rằng trễ cực đại trên tất cả kênh truyền được giới hạn trên bởi , ma trận kênh MIMO có thể được viết là:

Trong đó là ma trận kênh một người sử dụng biểu diễn kênh nối giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m (hoặc pha lấy mẫu nhanh) Chú ý rằng ở đây không có sự giả định tuyệt đối về tính đồng bộ giữa các bộ phát bởi vì mô hình hệ thống truyền thông MIMO chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường Cũng phải chú ý rằng thêm các anten phát vào cũng ảnh hưởng tới việc mở rộng ma trận kênh MIMO, có thể dẫn đến số cột cũng tăng theo một cách tuyến tính mà hạng của H không tăng Điều này có thể ảnh hưởng đến các tính toán dung lượng kênh cũng như sự tồn tại của các giải pháp zero-forcing được thảo luận trong phần sau.

4.4.2 Dung lượng của các kênh truyền thông MIMO

Trong phần này chúng ta tổng kết một số kết quả đối với việc tính toán dung lượng của các kênh MIMO Khác với các kỹ thuật tách tín hiệu MIMO sẽ được xem xét trong phần sau chỉ rõ toàn bộ quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện ở bộ thu, các kỹ thuật được sử dụng để đạt được dung lượng kênh (theo lý thuyết) yêu cầu sự tham gia của cả bộ phát và bộ thu.

Dung lượng thông tin của kênh MIMO tổng quát, chịu ảnh hưởng của nhiễu AWGN với biến [6] Với C là dung lượng thông tin, K là hạng của H, là giá trị (duy nhất) thứ n của H, và là giá trị (duy nhất) thứ n của ma trận hiệp biến vectơ đầu vào kênh, chúng ta tổng kết định lý cơ bản sau. Định lý 1: Dung lượng thông tin của kênh MIMO thời gian rời rạc bằng với tổng các dung lượng thông tin cho K kênh con SISO hiệu dụng của H tương ứng với giá trị duy nhất khác 0 (non-zero) của H Cụ thể, dung lượng kênh MIMO có thể được viết là:

Tổng kết

Trong chương này chúng ta đã tập trung vào việc giới thiệu mô hình tín hiệu dàn anten, xây dựng các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính với các phương pháp và thuật toán hiệu quả, đưa ra kỹ thuật tạo búp sóng phát Các kỹ thuật này là khó và đòi hỏi phải có nhiều thời gian nghiên cứu tìm hiểu.

Phần quan trọng khác là đã tổng kết một số các kết quả gần đây về các kênh truyền thông MIMO Các kênh truyền thông MIMO được đưa ra khá tổng quát và trình bày một số hình thức hoạt động bao gồm một hoặc nhiều bộ phát, một hoặc nhiều bộ thu, và nhiều đường truyền Dung lượng của các kênh MIMO và mô tả các kỹ thuật để đạt được dung lượng này cũng được thảo luận trong chương này Chúng ta cũng xem xét một số kỹ thuật tách tín hiệu tuyến tính và phi tuyến cho các kênh MIMO Các kỹ thuật này phân biệt với nhau bởi một số nhân tố như các thông tin yêu cầu tại bộ thu, độ phức tạp tính toán, và hiệu năng hoạt động Nghiên cứu các hệ thống truyền thôngMIMO sẽ vẫn là một chủ đề quan trọng cần phải xem xét kỹ trong thời gian tới. Đồ án gồm bốn chương: chương 1 giới thiệu kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động 3G; chương 2 tập trung vào ứng dụng của các DSP khả trình trong các máy cầm tay hai chế độ (2G và 3G); chương 3 nghiên cứu ứng dụng của các DSP khả trình trong trạm gốc 3G; chương 4 nghiên cứu sử dụng DSP khả trình trong xử lý dàn anten. Để nghiên cứu đồ án “Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G” đòi hỏi phải có một vốn kiến thức chắc chắn về xử lý tín hiệu số Trong hệ thống thông tin di động các DSP có vai trò quan trọng, các DSP khả trình giúp cho hệ thống tăng mạnh về dung lượng, tốc độ xử lý, tính mềm dẻo So với hệ thống 2G, thì hệ thống 3G với vùng phủ rộng hơn, cung cấp nhiều dịch vụ hơn, tốc độ truyền tải tin tức cao hơn, v.v điều đó càng cho thấy vai trò của các DSP khả trình trong các hệ thống thông tin di động 3G là vô cùng quan trọng Cần phải có phương pháp thiết kế các vi mạch DSP cho các hệ thống 3G để hệ thống 3G đảm bảo được sự kỳ vọng của các tiêu chuẩn mà các tổ chức chuẩn hóa đưa ra. Đồ án đã hoàn thành đúng yêu cầu được đặt ra ban đầu Nội dung đồ án đi sâu nghiên cứu ứng dụng của các DSP khả trình trong mạng truy nhập vô tuyến: cụ thể là ứng dụng của các DSP trong máy cầm tay hai chế độ (2G và 3G), các modem trạm gốc 3G, và xử lý dàn anten. Đồ án đã xây dựng một số phương pháp thiết kế phần cứng trong máy cầm tay, đưa ra các phân tích hệ thống và các giải pháp bộ đồng xử lý mềm dẻo trong trạm gốc 3G, nghiên cứu các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính ở dàn anten, đặc biệt đã đưa ra các phương pháp ước tính của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống MIMO. Nội dung đồ án mới chỉ nghiên cứu ứng dụng của các DSP khả trình trong mạng truy nhập vô tuyến, chưa nghiên cứu mạng lõi Hướng tiếp theo của Đồ án là tiếp tục nghiên cứu đầy đủ ứng dụng của các DSP khả trình trong hệ thống 3G, như: nghiên cứu SDR, xử lý ảnh và âm thanh dùng DSP khả trình, v.v và xây dựng phương pháp thiết kế vi mạch DSP cho 3G.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng trong đề án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn đọc Xin chân thành cảm ơn!