Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G.doc

Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT i

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Các mô hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 3G 6

1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G 6

1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3 7

1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5 9

1.3 Các DSP khả trình trong hệ thống thông tin di động 3G 11

CHƯƠNG 2: CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ (2G và 3G) 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2 Các tiêu chuẩn vô tuyến 13

2.3 Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức năng 15

2.4 Mô tả chức năng một hệ thống hai chế độ 17

2.5 Phân tích tính phức tạp và phân chia HW/SW 19

2.6 Các phương pháp thiết kế phần cứng 21

2.6.1 So sánh giữa kiến trúc phân tán với kiến trúc tập trung 21

2.6.2 Phương pháp bộ đồng xử lý 22

2.6.3 Vai trò của DSP trong 2G và chế độ kép 27

2.7 Xử lý phần mềm và giao diện với các lớp cao hơn 29

3.2.2 Các yêu cầu chung 32

3.2.3 Xử lý băng tần gốc trạm gốc CDMA cơ bản 33

3.2.4 Xử lý tốc độ ký hiệu (SR) 34

3.2.5 Xử lý tốc độ chip (CR) 34

3.2.5.1 Bộ tìm kiếm: Bộ tìm kiếm truy nhập và bộ tìm kiếm lưu lượng 35

3.2.5.2 Bộ giải trải phổ RAKE 36

3.3.2.1 Phân tích bộ thu đường lên 38

4.2 Mô hình tín hiệu dàn anten 49

4.3 Các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính 53

4.3.1 Đạo hàm gần đúng cực đại 54

4.3.2 Sự thích ứng trung bình bình phương nhỏ nhất 58

4.3.3 Xử lý các bình phương nhỏ nhất 59

4.3.4 Sự thích ứng tín hiệu mờ 64

4.3.5 Các ràng buộc không gian con 67

4.3.6 Khai thác tuần hoàn tĩnh 69

4.3.7 Các kỹ thuật bộ tạo búp sóng phát 71

4.4 Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) 79

4.4.1 Mô hình hệ thống tuyến tính MIMO 79

4.4.2 Dung lượng của các kênh truyền thông MIMO 82

4.4.3 Ước tính tuyến tính của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền

4.4.4.2 Khử nhiễu nối tiếp 88

4.4.4.3 Khử nhiễu song song 89

4.5 Tổng kết 90

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3G Partnership Project Dự án hợp tác 3G

ACS Add, Compare and Select Cộng, so sánh và lựa chọn AFC Automatic Frequency Control Điều khiển tần số tự động AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng

ARIB Association Industry and Business Liên hiệp kinh doanh và công nghiệp Nhật Bản

ASIC Application Specific Integrated Circuits

Mạch tích hợp ứng dụng đặc trưng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussơ trắng cộng

BLAST Bell-labs-LAyered-Space-Time Các thí nghiệm Bell phân lớp không gian - thời gian

BOPS Billions of Operations Per Second Hàng tỷ thao tác trên một giây BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa chuyển pha cơ số hai BTS Base Transcerver Station Trạm thu phát gốc

CCP Correlator Coprocessor Bộ đồng xử lý tương quan

CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền tải đa hợp được mã hóa CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CMOE Constrained Minimum Output Energy

Năng lượng đầu ra cực tiểu ràng buộc

CSB Combined Symbol Buffer Bộ đệm ký hiệu kết hợp

DCT Discrete Cosine Tranform Biến đổi cosin rời rạc

DMA Direct Memory Access Truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMT Discrete Multitone Modulation Điều chế đa tần rời rạc DPE Delay Profile Estimation Ước tính hiện trạng trễ DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

ETSI European Telecommunications Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

FCC Federal Communication Comission Ủy ban thông tin liên bang

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FDD-DS Frequency Division Duplex-Direct

Ghép song công phân chia theo tân số- chuỗi trực tiếp

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FHT Fast Hadamard Transformation Biến đổi Hadamard nhanh

FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa chuyển tần

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile

IMT International Mobile Telecommunications

Thông tin di động quốc tế ITU International Telecommunication

Ủy ban viễn thông quốc tế

LCC Loosely Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép lỏng LMMSE Linear Minimum Mean Squared

Error Lỗi trung bình bình phương cực tiểu tuyến tính LMS Least Mean Squares

MAP Maximum A Posteriori MGSO Modified Gram-Schmidt

Trực giao hóa Gram-Schmidt thay đổi MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MIPS Million Instructions Per Second Triệu lệnh trên giây MMU Memory Management Unit Khối quản lý bộ nhớ MRC Maximal Ratio Combining Tổ hợp tỷ số tối đa

MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch pha cực tiểu

PIC Parallel Interference Cancellation Khử nhiễu song song

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QR

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RMS Recursive Least Squares Bình phương đệ quy nhỏ nhất RRC Radio Resource Controller Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến RSCC Recursive Systematic Convolution

Bộ mã hóa xoắn hệ thống đệ quy

SCORE Self-Coherence Restoral

SIC Successive Interference Cancellation Khử nhiễu liên tiếp SINR Signal-to-Interference Noise Power

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm, nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị duy nhất

TCC Tightly Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép chặt

TDD Time Division Duplex Bộ ghép song công phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

VLD Variable Length Decoding Giải mã chiều dài biến đổi

WMSA Weighted Multi-Slot Average Trung bình đa khe theo trọng số

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai Hệ thống di động thế hệ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng.

Đồ án “Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G” trình bày những ứng dụng của

các DSP khả trình trong việc thiết kế các thành phần căn bản của hệ thống 3G Sự hỗ trợ của các DSP khả trình đối với việc tăng khả năng xử lý, tốc độ xử lý, dung lượng hệ thống, hiệu suất làm việc của hệ thống 3G Qua đó thấy được ứng dụng và tầm quan trọng của các DSP khả trình trong việc thiết kế hệ thống thông tin di động.

Bố cục của đồ án gồm 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G

 Chương 2: Các DSP khả trình trong các máy cầm tay hai chế độ (2G và 3

 Chương 3: Các DSP khả trình trong các modem trạm gốc 3G

 Chương 4: Sử dụng DSP khả trình trong xử lý dàn anten.

DSP được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học, công nghệ điện tử, tin học và đời sống Ứng dụng của DSP trong hệ thống thông tin di động thì không phải là mới mẻ, nhưng việc tìm hiểu về ứng dụng của các DSP khả trình trong 3G là vấn đề khá mới ở Việt Nam, đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng về hệ thống 3G và xử lý tín hiệu số Vì vậy trong khuôn khổ đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thoả đáng Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các bạn.

Trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 20/10/2005 Sinh viên

Nguyễn Trung Hiếu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G1.1 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 chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, tăng cường truyền số liệu gói

1.2 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.

§Çu cuèi sè liÖu

§Çu cuèi tiÕng

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 ).

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).

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

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.

Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghị được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức nhiều cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị.

Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN, T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran

Cổng báo hiệu chuyển mạch (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn Trong nhiều trường hợp T-SGW và R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.

MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương tiện MGW ở kiến trúc mạng của phát hành 3GPP 5 có chức năng giống như ở phát hành 4 MGW được điều khiển bởi chức năng điều khiển các phương tiện MGCF Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248

MGCW cũng liên lạc với CSCF Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP Cần lưu ý rằng cấu trúc toàn IP phát hành 5 là một tăng cường của mạng phát hành 1999 hoặc 4 Nó đưa thêm vào một vùng mới trong mạng đó là vùng đa phương tiện IP (IM: IP Multimedia) Vùng mới này cho phép mang cả số liệu và thoại qua IP trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay Sử dụng vùng chuyển mạch gói cho mục đích truyền tải sử dụng SGSN, GGSN, Gn và Gi là các nút và giao diện thuộc vùng PS.

1.3 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 (TMS320C64TM , 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.

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

2.1 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 độ GSM/WCDMA.

2.2 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

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)

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

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.

2.3 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.

- Kiểm tra CRC.

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.

2.4 Mụ tả chức năng một hệ thống hai chế độ

Hỡnh 2.2 dưới đõy là biểu diễn mức hệ thống của một mỏy cầm tay hai chế độ (nghĩa là: khụng thảo luận về thuật toỏn, bộ xử lý và phõn chia tại mức này).

Đồng bộ mức thấp, Đồng bộ mức cao cho chuyểnHai hệ thống con này được làm hoạt động chia sẻ

tài nguyên DSP và HW một cách riêng biệt

thẻ SIM, pin, bảo mật

Phân hệ lập thời gian biểu

WinCE, Symbian, PalmOS hệ thống di động UMTS [1] Từ quan điểm trung tõm UE, tất cả cỏc phõn hệ này phải chia xẻ tối đa cỏc thiết bị phần cứng để giảm kớch thước chết và chi phớ vật liệu (BOM) Vỡ vậy, chương trỡnh lập thời gian biểu trở thành phần quan trọng của một hệ thống hai chế độ bởi vỡ nú phải xử lý với cỏc dải miền thời gian rất khỏc nhau Mặt khỏc, chương trỡnh lập thời gian biểu phải cung cấp một phương phỏp hiệu quả để sử dụng một kiến trỳc đa xử lý phức tạp, với nhiều bộ nhớ và nhiều đường số liệu.

Chế độ nộn là một cơ chế được chỉ định bởi 3GPP để cho phộp chuẩn bị chuyển giao liờn hệ thống khi thiết bị di động ở chế độ dành riờng WCDMA (hỡnh 2.3) Đõy 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.

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.

2.5 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:

• 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;

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.

2.6 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.

Các bộ đồng xử lý được ghép lỏng (LCC) giống một lời gọi hàm hơn là một lệnh Vì chúng thực hiện nhiều hoạt động không cần sự can thiệp của DSP nên thông thường chúng sẽ hoạt động trên một tập số liệu lớn Không giống như TCC, LCC sẽ phải chạy song song với DSP nếu nó muốn đạt được đầy đủ các lợi ích Nghĩa là lập trình viên sẽ phải cẩn thận hơn với việc lập thời gian biểu cho các lệnh LCC Nhưng vì LCC giao tiếp rất ít với DSP nên điều này không phải là khó khăn lớn Ưu điểm chính của LCC là nó giải quyết vấn đề nghiêm trọng về băng thông bus có thể xuất hiện khi tốc độ số liệu đầu vào thô tới hệ thống là rất lớn hoặc số lần dữ liệu được dùng lại trong các tính toán là rất nhiều Trong cả hai trường hợp độ rộng băng thông bus đều trở thành nút cổ chai để thực hiện tính toán bởi vì số liệu được lưu trữ tại đầu kia của bus từ các khối tính toán Một LCC loại bỏ nghẽn cổ chai bằng các khối tính toán cục bộ so với số liệu và sắp xếp một cách đặc biệt để truy nhập số liệu được yêu cầu cho một lớp các tính toán Theo thời gian DSP sẽ phát triển tới mức mà ở đó băng thông bus và công suất tính toán

của nó là đủ cho thao tác của LCC và thủ tục con giả được bổ sung bởi LCC sẽ trở thành một thủ tục con thực.

Thiết kế LCC theo hướng thực hiện vòng kín tới giao diện bus ngoài và khả năng truy nhập bộ nhớ trực tiếp (DMA) của bộ xử lý gốc Các DSP mới như là TMS320C6x chứa các bộ phận DMA phức tạp có thể thực hiện các truyền dẫn số liệu đa chiều, và có khả năng thực hiện một chuỗi các truyền dẫn độc lập Các bộ phận DMA như vậy là lý tưởng cho việc truyền số liệu vào/ra các khối LCC với sự can thiệp tối thiểu của DSP Điều này làm giảm hoặc thậm chí loại bỏ sự bổ sung của DSP vào việc thực hiện di chuyển số liệu, và giảm tốc độ ngắt thực hiện bởi DSP.

Khái niệm LCC ứng dụng một cách dễ dàng tại ranh giới tốc độ chip và tốc độ ký hiệu của một hệ thống CDMA Trong lớp vật lý của W-CDMA, DSP vẫn sẽ thực hiện phần lớn thao tác xử lý tốc độ ký hiệu như là khôi phục định thời, ước tính kênh và tần số, ấn định ngón, v.v Các thao tác xử lý tốc độ chip như là giải trải phổ, ước tính trễ đường truyền, bắt giữ, v.v sẽ được đưa ra ngoài tới một bộ đồng xử lý được thiết kế để thực hiện các thao tác này một cách hiệu quả Để xử lý tốc độ chip, TI đã đề xuất một bộ đồng xử lý tương quan (CCP), thực hiện các thao tác giải trải phổ chung cho các hoạt động nhận dạng và ước tính trễ đường truyền trong bộ thu CDMA (cả cho máy cầm tay cũng như trạm gốc) Bộ đồng xử lý này cũng có thể thực hiện một vài thao tác MIPS đơn giản nhưng nhanh, xuất hiện trực tiếp tại ranh giới chip-ký hiệu Các ví dụ cho chúng là tính trung bình tương quan và không tương quan cho việc ước tính kênh Tuy nhiên, DSP vẫn chọn loại tính trung bình mà sẽ xuất hiện và làm cách nào để xử lý số liệu sau để đưa ra sự ước tính kênh cuối cùng.

Trong thực tế, hệ thống hoàn toàn có khả năng lập trình trong miền xử lý tốc độ chip của CDMA DSP cũng điều khiển cách thức của các MIPS tương quan được cung cấp bởi CCP đã được phân bố Chẳng hạn như trong một ngữ cảnh trạm gốc, DSP có thể chọn để ấn định một phần MIPS này cho một người sử dụng với 6 đa đường Tương tự, DSP đó có thể tái ấn định lại các MIPS này cho vài người sử dụng với số lượng đa đường để giải trải phổ ít hơn Tương tự như thế, giải trải phổ đa mã cho việc thu tốc độ số liệu cao có thể được xử lý một cách mềm dẻo bởi CCP Trong ngữ cảnh máy cầm tay, tương quan MIPS có thể được ấn định linh hoạt giữa nhiệm vụ tìm kiếm và nhiệm vụ giải trải phổ nhận dạng RAKE, do đó cung cấp tính mềm dẻo để xử lý các điều kiện kênh và các tốc độ số liệu khác nhau Ngoài việc cho phép các nhà sản xuất chip-set WCDMA khác nhau phân biệt và cải tiến các giải pháp WCDMA của họ hoàn toàn trong phần mềm, các bộ đồng xử lý mềm dẻo như thế cho phép vẫn hệ thống đó tái lập trình để thực hiện WCDMA, CDMA2000, IS95, GPS và các hệ thống giải điều chế dựa trên CDMA khác Nó cũng cung cấp một nền chung cho các đầu cuối chỉ thoại chi phí thấp và các đầu cuối đa phương tiện chất lượng cao, và kiến trúc CCP cơ bản như thế có thể áp dụng được cho cả các máy cầm tay cũng như các trạm gốc.

Một sơ đồ khối đã được đơn giản hóa của CCP cùng với môi trường hệ thống của nó được chỉ ra trong hình 2.7 Chú ý rằng bộ đồng xử lý được kết nối trực tiếp tới đầu vào tương tự để loại bỏ số liệu tốc độ chip vào bus một cách hoàn toàn Các chip đầu

vào được lưu trữ trong một bộ đệm đầu vào, và CCP sẽ xử lý một vectơ N chip trong mỗi chu kỳ đồng hồ, trong đó N có thể là 16 hoặc 32 Một đặc điểm quan trọng khác là

lệnh và các bộ đệm đầu ra sẽ được sắp xếp bộ nhớ để cho phép truy nhập mềm dẻo tới bộ đồng xử lý bởi DSP DSP ghi các nhiệm vụ (để thiết lập nhận dạng RAKE, hoặc các chức năng tìm kiếm) vào bộ đệm nhiệm vụ Bộ điều khiển CCP đọc các nhiệm vụ này

từ bộ đệm nhiệm vụ và thực hiện hoạt động tương ứng trên tập hợp N chip được lưu trữ

trong bộ đệm đầu vào Tất cả các nhiệm vụ trong bộ đệm nhiệm vụ được xử lý trước khi

CCP di chuyển tới tập hợp N chip tiếp theo Vì vậy, một nhiệm vụ đã được viết vào bộ

đệm nhiệm vụ sẽ được thực hiện “mãi mãi” cho tới khi DSP ghi đè lên nó bởi một nhiệm vụ khác, hoặc nó rõ ràng là không thể thực hiện được Các ký hiệu giải trải phổ được lưu trữ trong bộ đệm đầu ra đã được ánh xạ bộ nhớ; DSP có thể ấn định bộ nhớ đầu ra này một cách mềm dẻo giữa các nhiệm vụ đang chạy trên CCP Sự mềm dẻo này trở nên rất hữu dụng cho việc xử lý rất nhiều loại tốc độ số liệu được hỗ trợ bởi các tiêu

Hình 2.7: Hệ thống dựa trên bộ đồng xử lý (bộ tương quan) ghép lỏng

Sự so sánh với các thiết kế chức năng cố định đã chỉ ra rằng, nếu thiết kế cẩn thận logic bộ đồng xử lý thì sẽ không có sự mất mát công suất đáng kể mà vẫn tạo ra tính mềm dẻo Điều này là bởi vì về bản chất dòng số liệu chi phối quỹ công suất và nó độc lập với tính mềm dẻo của thiết kế Kích thước của bộ đồng xử lý lớn hơn một thiết kế

riêng một chút, nhưng là không đáng kể so với hệ thống hoàn chỉnh Bộ điều khiển trong một thiết kế tập trung ví dụ như CCP là phức tạp hơn một chút so với phương pháp thực hiện “phân tán” kết nối bằng phần cứng, nhưng sự tăng tính phức tạp là đáng giá cho kết quả tăng tính mềm dẻo.

Giải mã là một vùng khác có thể thu lợi từ sự ứng dụng LCC Giải mã Viterbi tốc độ thoại được thực hiện một cách dễ dàng trên các DSP ngày nay nhưng các yêu cầu tốc độ số liệu cao hơn, xuất hiện trong 3G, làm cho giải mã hóa trở nên khó khăn khi thực hiện bằng lập trình Tuy nhiên, có thể tìm thấy một sự phân chia bộ đồng xử lý/DSP cho phép duy trì tính mềm dẻo cùng với một mức MIPS hợp lý trên DSP Ví dụ: để giải mã Viterbi trong trạm gốc, DSP có thể thực hiện xử lý tất cả số liệu đang xử lý phát sinh trên nhánh và một bộ đồng xử lý có thể thực hiện các nhiệm vụ MIPS còn lại của dò tìm và cập nhật ma trận trạng thái Điều này cho phép DSP xác định một bộ giải mã cho mã bất kỳ dựa trên một thanh ghi dịch đơn, bao gồm việc chích ra các tốc độ khác Một bộ đồng xử lý Viterbi như thế đã được triển khai như là một phần DSP trạm gốc TMS320C6416.

2.6.3 Vai trò của DSP trong 2G và chế độ kép

Khi các máy điện thoại GSM được thiết kế lần đầu tiên, các chỉ tiêu kỹ thuật của ETSI là đủ tin cậy để xây dựng một hệ thống di động GSM thực tế nhưng lại không có sự đảm bảo đối với các chức năng hoàn hảo Người ta mong đợi rằng tiêu chuẩn này sẽ phát triển và được cải tiến theo thời gian Để đối phó với tính không chắc chắn này cách tốt nhất là phải sử dụng một nền tảng xử lý tín hiệu mềm dẻo May thay, công suất xử lý yêu cầu cho tín hiệu GSM là phù hợp với công nghệ DSP hiện có.

Mô hình kỹ thuật này cho phép các nhà sản xuất nhanh chóng thiết lập việc sản xuất máy cầm tay và quy định các chỉ tiêu kỹ thuật và các vấn đề về triển khai trong môi trường Phương pháp này có chi phí hiệu quả hơn so với việc tiêu tốn thời gian dài cho các mô phỏng, hoặc qua một số chu kỳ mẫu ASIC.

Hơn nữa, DSP đưa ra một lợi thế lớn khác bằng việc cho phép phân tách các vấn đề nền tảng phần cứng khỏi các vấn đề ứng dụng của GSM Đó là một lợi thế rõ ràng bởi vì nền phần cứng có thể phát triển một cách độc lập, bằng việc tập hợp nhiều cải tiến từ lượng lớn các ứng dụng vô tuyến liên quan đến kiến trúc, tiết kiệm công suất và tăng độ tin cậy bởi vì phạm vi kiểm tra lớn của nó Trong thực tế, một sự sửa đổi của một thuật toán modem không yêu cầu kiểm tra toàn bộ phần cứng để chạy lại hay nói cách khác một cải tiến công nghệ phần cứng không yêu cầu việc kiểm tra toàn bộ phần mềm Trong mô hình phần mềm tập trung cho một modem GSM, hầu hết các vấn đề kết cuối liên quan đến thiết kế phần mềm hay việc thông dịch các đặc tả Điều này ít nghiêm trọng hơn một vấn đề về phần cứng.

Với 3G, vai trò DSP có thay đổi một chút bởi vì công nghệ hiện có không cho phép hoàn thành việc xử lý tín hiệu trên một thiết bị DSP khả trình Như đã giải thích ở trên, nhiều bộ đồng xử lý phần cứng phải được thiết kế để bù đắp cho sự thiếu công suất xử lý Chúng cung cấp một sự cân bằng tốt giữa hiệu năng và sự mềm dẻo, vì vậy sẽ lấp khoảng trống trước khi một giải pháp phần mềm đầy đủ trên DSP xuất hiện.

Để xây dựng một đầu cuối hai chế độ (2G và 3G), có thể xem xét giải pháp “Velcro” bao gồm việc ghép hai đầu cuối chế độ đơn vào cùng một trường hợp, với số lượng móc tối thiểu để cho phép giám sát liên hệ thống Điều này đơn giản hóa sự tích hợp phần mềm và phần cứng, nhưng giải pháp này không hiệu quả về mặt chi phí.

Một phương pháp tốt hơn là sẽ tích hợp tất cả các thủ tục DSP vào cùng một lõi DSP Chúng ta gọi giải pháp này là một giải pháp “tích hợp” Với kết cuối hai chế độ, giải pháp lõi DSP “tích hợp” có một vài ưu điểm:

Sử dụng bộ nhớ hiệu quả: Một hệ thống di động đa chế độ gồm có một hệ thống

con bằng phần mềm trên mỗi RAT được hỗ trợ Mỗi hệ thống con có hai chế độ chính: Chế độ tích cực cho tất cả các hoạt động một chế độ thông thường và một giám sát liên-RAT dành riêng cho phép đo dưới các ràng buộc của các khoảng trống Tùy theo các hệ thống con và các chế độ được sử dụng, yêu cầu cho bộ nhớ sẵn sàng sẽ thay đổi động Nếu các bộ đệm đều nằm trong bộ nhớ nội của DSP thì sẽ dễ dàng hơn để quản lý động nó và hạn chế yêu cầu bộ nhớ cực đại DSP MMU sẽ ngăn chặn sự suy giảm liên hệ thống.

Quản lý công suất hiệu quả: Để giảm sự tiêu thụ công suất, chúng ta cần phải lợi

dụng và dự đoán các khoảng thời gian không tích cực thiết bị Trong một hệ thống đa chế độ hầu hết chương trình lập thời gian biểu là tập trung và điều khiển DSP, lớp quản lý công suất có thể có thông tin chính xác để tắt các thiết bị không sử dụng.

Quản lý luồng bit: Trong một hệ thống đa phương tiện, một yêu cầu quan trọng là

việc chuyển đổi của một lượng số liệu lớn DSP Mega cell đảm nhận yêu cầu này DSP được tối ưu cho việc chuyển đổi số liệu nhờ các khả năng DMA nhúng của nó và cung cấp tính mềm dẻo trong việc sử dụng các kênh này Các khả năng như vậy có thể được tận dụng tối đa chỉ bởi một giải pháp hai chế độ tích hợp.

Cơ chế tái đồng bộ: Trong một hệ thống hai chế độ, một hệ thống con tích cực có

thể giúp các hệ thống con khác trong chế độ giám sát liên-RAT bằng việc cung cấp cho chúng thông tin về các ô cho khối giám sát Điều này yêu cầu một kỹ thuật hoán đổi thời gian, và sẽ dễ thực hiện hơn nếu tất cả các thủ tục xử lý tín hiệu đang chạy trên cùng một lõi.

Các chức năng chung: Một vài thủ tục xử lý tín hiệu cần phải được tái thực hiện từ

một thuật toán hoặc từ một quan điểm giao diện để có thể sử dụng được bởi các hệ thống con khác, thay vì việc ghi lại toàn bộ các chức năng.

Sự cải tiến trong tương lai: Các ứng dụng được chạy trên một đầu cuối 3G hoặc

đầu cuối hai chế độ vẫn thay đổi Một giải pháp tích hợp sẽ cho phép quản lý các tài nguyên của hệ thống hiệu quả hơn để cung cấp “các ứng dụng thông minh” chưa xuất hiện trên cùng nền tảng đó.

Đồng thời, một giải pháp hai chế độ trung tâm DSP vẫn có các mặt hạn chế Các ràng buộc trên bộ lập thời gian biểu sẽ làm tăng số lượng các thao tác Vì vậy, bằng các thao tác hợp nhất từ nhiều hệ thống con sẽ khó đảm bảo việc thực hiện mã hóa đồng thời chính xác và có thể gây ra các tranh chấp tài nguyên rất khó dự đoán trước.

2.7 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 OMAPTM 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.

2.8 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.

CHƯƠNG 3: CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G

3.1 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 TMS320C64xTM 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 TMS320C64xTM 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.

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

3.2.1 Giới thiệu

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.

3.2.2 Các yêu cầu chung

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

- 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.

Qu¶n lý tµi nguyªn

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/

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 và 3,84Mchip/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

RAKE giải trải phổ thông qua các tương quan chip đối với một vài chuỗi mã, số lượng bản sao trễ theo thời gian của một tín hiệu người sử dụng được xác định bởi hiện trạng trễ của người sử dụng, được ước tính bởi bộ tìm kiếm lưu lượng Sự ước tính kênh được thực hiện trên mỗi “hướng” (finger) này, trước khi chúng được tổ hợp bởi MRC để cung cấp các ký hiệu kết quả (đã được lọc ghép).

Sự ước tính kênh có thể được thực hiện bởi DSP MRC có thể được thực hiện trên DSP hoặc trên một bộ đồng xử lý riêng Sự ước tính kênh được thực hiện trên kênh hoa tiêu lưu lượng của người sử dụng, được ghép PN với kênh số liệu lưu lượng Vì thế, kênh hoa tiêu được giải trải phổ song song cho mỗi hướng Thêm vào đó, mỗi nhận dạng giải trải phổ yêu cầu giải trải phổ của tín hiệu tại các vị trí sớm/ đúng lúc/ muộn Năng lượng hay các phép đo IQ từ các bộ giải trải phổ sớm và muộn nuôi một vòng lặp khóa trễ (DLL: Delay Lock Loop) Thời gian cho DLL thường là 1/8 chip Chức năng DLL được thực hiện trên DSP.

3.3 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.

- Ghép kênh/tách kênh.

- 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 TMS3320C64xTM 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

DSP tổng + các bộ

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 C64x CPU/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.