CÔNG NGHỆ VÀ QUY HOẠCH W - CDMA - 5 pot

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 45 Toạ độ các điểm tín hiệu Cặp bit vào 0  t  T Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu S i Q 1 Q 2 00 /4 S 1 + 2/E + 2/E 01 3/4 S 2 + 2/E - 2/E 11 5/4 S 3 - 2/E - 2/E 10 7/4 S 4 - 2/E + 2/E Xác suất lỗi trong QPSK:          0 , 2 N E QP b QPSKe Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau. Tuy nhiên, với QPSK thì hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK. Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb. 4.4 Trải phổ trong W-CDMA 4.2.1 Giới thiệu Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi. Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu.Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục lại thông tin ban đầu) được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộ của mã trải phổ sử dụng ở phía phát. Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ càng tốt. Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS : Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 46 lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau : - Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit. - Trải phổ nhảy tần (FHSS : Frequency Hopping Spreading Spectrum) : Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip T C được cố định không đổi . Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại. - Trải phổ nhảy thời gian (THSS : Time Hopping Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột. Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 47 4.2.2 Nguyên lý trải phổ DSSS Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau : R C = 1/T C (4.9) R b = 1/T b (4.10) Trong đó : R C : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên. R b : tốc độ bit. T C : thời gian một chip. T b : thời gian một bit. T b = T n T b = T n T c T b : Thời gian một bit của luồng số cần phát T n : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ T C : Thời gian một chip của mã trải phổ Hình 4.4. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 48 4.2.3 Mã trải phổ Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm PN (Pseudo Noise). Mã giả tập âm còn được gọi là mã giả ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định. Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR. Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) :   01 1 1 gxgxgxgxg m m m m    (với g m = g 0 = 1) (4.11) x m : Đơn vị trễ. Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch : S 0 = {S 0 (1), S 0 (1), …S 0 (m)} c i S i (1) S i (2) g 1 g 2 g m-1 c i-m Đến bộ điều chế S i (m) Hình 4.5. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 49 Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là : C 0 = S 0 (m) C 1 = S 0 (m-1) …. C m-1 = S 0 (1) Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch : S i (m) = S i-1 (m-1) = S i-2 (m-2) = …= S i-m+1 (1) (4.12) S i-m+1 (1) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m) (g m = 1) => S i (m) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m) (4.13) Áp dụng công thức (4.12), ta có : S i (m) = g 1 .S i-1 (m) + g 2 .S i-2 (m) + …+ S i-m (m) (4.14) Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ S i (m) của thanh ghi dịch : => C i = g 1 .C i-1 + g 2 .C i-2 + …+ C i-m (4.15) Hay : C i+m = g 1 .C i+m-1 + g 2 .C i+m-2 + …+ C i (4.16) Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp. Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau : S i (1) S i (2) g 2 g m-1 c i Đến bộ điều chế S i (m) Hình 4.6 . M ạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng. g 1 Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 50 4.2.4 Các hàm trực giao Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống DSSS. Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA mỗi người sử dụng một phần tử trong các hàm trực giao. Hàm Walsh và các chuỗi Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao. Trong W-CDMA các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách là mã trải phổ hoặc các ký hiệu trực giao. Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt gọi được gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn bit “0”, các hàng còn lại có số bit “1” và số bit “0” bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N = 2 j , trong đó j là một số nguyên dương. Tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau : NN NN N HH HH HHHH  2421 , 0110 1100 1010 0000 , 10 00 ,0 Trong đó N H là đảo cơ số hai của H N . 4.3 Cấu trúc phân kênh của WCDMA Cũng như trong các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, các kênh thông tin trong WCDMA được chia ra làm hai loại tuỳ thuộc vào quan điểm nhìn nhận. Theo quan điểm truyền dẫn ta sẽ có các kênh vật lý còn theo quan điểm thông tin ta sẽ có các kênh truyền tải. Lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối. Trên quan điểm các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì vậy không thể thiết kế lớp vật lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo tính linh hoạt cho các dịch vụ tương lai. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 51 4.3.1 Kênh vật lý 4.3.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH).  Kênh điều khiển vật lý (DPCCH) Kênh điều khiển vật lý đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển lớp vật lý. Thông tin này gồm : các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, các lệnh điều khiển công suất (TCP : Transmit Control Power), thông tin hồi tiếp (FBI : Feedback Information) và một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI). Thông số k xác định số bit trên khe của DPDCH/DPCCH đường lên. Mỗi khung có độ dài 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài T slot = 2560 chip ứng với 666µs, tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Như vậy độ rộng khe gần bằng với độ rộng khe ở GSM (577µs). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng phân tập phát vòng kín ở đường xuống. Có tất cả 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường Hoa tiêu TFCI FBI TCP N pilot bit N TFCI bit N FBI bit N TPC Số liệu N data bit T khe = 2560 chip, 10.2 k bit (k = 0…6) Khe #0 Khe #1 Khe #14 Khe #i Một khung vô tuyến : T f = 10ms DPDCH DPCCH Hình 4.7. Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 52 lên. Có các tuỳ chọn sau : 0, 1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không các bit TFCI. Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn sử dụng hết khe DPCCH. Cấu trúc các trường của DPCCH : Khuôn dạng tại #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh SF Số bit /khung Số bit /khe N pilot N TPC N TFCI N FBI Số khe được phát trên khung vô tuyến 0 15 15 256 150 10 6 2 2 0 15 0A 15 15 256 150 10 5 2 3 0 10 – 14 0B 15 15 256 150 10 4 2 4 0 8 – 9 1 15 15 256 150 10 8 2 0 0 8 – 16 2 15 15 256 150 10 5 2 2 1 15 2A 15 15 256 150 10 4 2 3 1 10 – 14 2B 15 15 256 150 10 3 2 4 1 8 – 9 3 15 15 256 150 10 7 2 0 1 8 – 15 4 15 15 256 150 10 6 2 0 2 8 – 15 5 15 15 256 150 10 5 1 2 2 15 5A 15 15 256 150 10 4 1 3 2 10 – 14 5B 15 15 256 150 10 3 1 4 2 8 – 9  Kênh số liệu vật lý riêng DPDCH Kênh truyền số liệu cho người sử dụng, tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Thông thường đối với các dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo trên kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ trường được phát bằng với chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), là thông tin DPCCH về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành. Nếu giải mã TCFI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Tuy nhiên độ tin cậy của TCFI cao hơn số liệu nên ít khi xảy ra mất TCFI. Cấu trúc các trường của DPDCH như sau : Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 53 Khuôn dạng tại #i Tốc độ bit kênh (kbit/s) Tốc độ ký hiệu kênh SF Số bit /khung Số bit /khe N dat a 0 15 15 256 150 10 10 1 30 30 128 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 4 240 240 16 2400 160 160 5 480 480 8 4800 320 320 6 960 960 4 9600 640 640 4.3.1.2 Kênh vật lý chung đường lên  Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH. - Phát RACH : Phát truy nhập ngẫu nhiên dựa vào phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và khoảng cách giữa chúng là là 5120 chip. Các lớp cao cung cấp thông tin về khe truy nhập sử dụng ở hiện thời. Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA Trang 54 - Phần tiền tố của RACH : Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký. - Phần bản tin của RACH : Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài T slot = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang thông tin lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin lớp 1. Cả hai phần được phát đồng thời. Phần số liệu gồm 10.2 k bit với k = 0, 1, 2, 3. Phần điều khiển gồm 8 bit hoa tiêu để hỗ trợ sự đánh giá cho tách sóng nhất quán và hai bit TFCI . Tổng số bit TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một Kênh truy nh ập #0 #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 Khung vô tuyến 10ms Khung vô tuyến 10ms 5120 chip Phát truy cập ngẫu nhiên Kênh truy nh ập #1 Kênh truy nh ập #7 Kênh truy nh ập #8 Kênh truy nh ập Hình 4.8. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên Phát truy cập ngẫu nhiên Tiền tố Tiền tố Tiền tố Tiền tố Tiền tố Phần bản tin Phần bản tin 4096 chip 4096 chip 10ms (Một khung vô tuyến) 20ms (Hai khung vô tuyến) Hình 4.9. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên Tiền tố [...]... trong W- CDMA khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời Số liệu Số liệu Ndata bit Điều khiển Hoa tiêu Npilot bit Tslot = 256 0 chip, 10.2k bit (k=0 3) Khe #0 Khe #1 Khe #14 Khe #i Khung vô tuyến phần bản tin TRACH = 10 Hình 4.10 Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH Các trường số liệu của phần bản tin RACH : độ bit Tốc độ ký hiệu SF Số bit/ khung Số bit/ khe Ndata 15 256 150 10... 300 20 20 2 60 60 64 600 40 40 3 120 120 32 1200 80 80 Khuôn Tốc dạng khe #i kênh (kbit/s) kênh (kbit/s) 0 15 1 Trường điều khiển phần bản tin RACH : Khuôn Tốc độ bit Tốc dạng khe #i kênh (kbit/s) độ hiệu ký SF kênh Số bit/ Số khung 10 Npilot NTFCI 8 2 khe 150 bit/ (kbit/s) 0 15 15 256 Trang 55 . 0 15 15 256 150 10 6 2 2 0 15 0A 15 15 256 150 10 5 2 3 0 10 – 14 0B 15 15 256 150 10 4 2 4 0 8 – 9 1 15 15 256 150 10 8 2 0 0 8 – 16 2 15 15 256 150 10 5 2 2 1 15 2A 15 15 256 . 256 150 10 4 2 3 1 10 – 14 2B 15 15 256 150 10 3 2 4 1 8 – 9 3 15 15 256 150 10 7 2 0 1 8 – 15 4 15 15 256 150 10 6 2 0 2 8 – 15 5 15 15 256 150 10 5 1 2 2 15 5A 15 15 256 150 10. S i (m) = S i-1 (m-1) = S i-2 (m-2) = …= S i-m+1 (1) (4.12) S i-m+1 (1) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m) (g m = 1) => S i (m) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m)