Kỹ thuật trải phổ trong w cdma

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W – CDMA Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HỮU HÀ Lớp 48K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ MINH Vinh, 12-2011 MỤC LỤC Lời nói đầu Danh sách hình vẽ 10 Các từ viết tắt sử dụng luận văn 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 17 1.1 Những đặc thù của thông tin di động 17 1.2 Cấu trúc mạng thông tin số 18 1.3 Lịch sử phát triển của thông tin di động 20 1.3.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 22 1.3.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 24 1.3.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba(3G) 26 1.3.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ (4G) 28 1.4 Kết luận chương 29 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 31 2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số, FDMA 32 2.1.1 Nguyên lý FDMA 32 2.1.2 Nhiễu giao thoa kênh lân cận 35 2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA 37 2.2.1 Nguyên lý TDMA 37 2.2.2 Tạo cụm 38 2.2.3 Thu cụm 40 2.2.4 Đồng bộ 40 2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã, CDMA 41 2.4 Đa truy nhập phân chia theo không gian, SDMA 42 2.5 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W-CDMA 44 3.1 Cấu trúc W-CDMA 44 3.1.1 Giao diện vô tuyến 46 3.1.2 Giao diện UTRAN – CN, IU 47 3.1.3 Giao diện RNC – RNC, IUr 48 3.1.4 Giao diện RNC – Node B, IUb 48 3.2 Các dãy giả ngẫu nhiên PN 49 3.2.1 Giới thiệu chung về chuỗi PN 49 3.2.2 Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại 49 3.3 Trải phổ W-CDMA 51 3.3.1 Giới thiệu 51 3.3.2 Hệ thống thông tin trải phổ 52 3.3.3 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp(DS/SS) 54 3.3.3.1 Nguyên lý của kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS 54 3.3.3.2 Các hệ thống DS/SS – BPSK 55 3.3.3.3 Các hệ thống DS/SS – QPSK 59 3.3.3.4 Áp dụng DS/SS cho CDMA 61 3.3.3.5 Các đặc tính của DS – CDMA 64 3.3.3.6 Ưu và nhược điểm của DS – CDMA 65 3.3.4 Hệ thống nhảy tần (FH/SS) 66 3.3.4.1.Hệ thống FH/SS nhanh 67 3.3.4.2 Hệ thống FH/SS chậm 70 3.3.5 Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS) 71 3.3.6 So sánh các hệ thống SS 72 3.4 Các mã trải phổ sử dụng W – CDMA 73 3.5 Trải phổ và điều chế đường lên 75 3.5.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên 75 3.5.2 Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH 77 3.6 Trải phổ và điều chế đường xuống 78 3.6.1 Các mã trải phổ đường xuống 79 3.6.2 Các mã ngẫu nhiên đường xuống 80 3.6.3 Ghép kênh đa mã đường xuống 81 3.7 Kết luận chương 83 Kết luận 84 Tài liệu tham khảo 85 LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu xã hội đại Cùng với phát triển của các ngành công nghệ điện tử, tin học công nghệ thông tin di động những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Kể từ đời vào cuối năm 1940 cho đến thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến một bước dài đường công nghệ Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động số thế hệ (2G) đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động thế hệ (3G) đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS),… W-CDMA là nhánh công nghệ 3G được phát triển dựa sở hệ thống thông tin di động 2G GSM Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA được đánh giá là lựa chọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000 Hệ thống W-CDMA phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA GSM, PDC, IS-136 W-CDMA sử dụng công nghệ CDMA là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động toàn thế giới, điều này cho phép thực tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công nghệ truyền thông không dây toàn cầu Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khá lớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp đã mở rộng dải tần tới 5MHz đã phần nào đáp ứng được phần nào nhu cầu người tiêu dùng Vì vậy em đã chọn đề tài: “Công nghệ W-CDMA kỹ thuật trải phổ W-CDMA” nhằm tìm hiểu những kiến thức về cấu trúc của mạng W-CDMA cũng các phương pháp đa truy nhập hay kỹ thuật trải phổ W-CDMA Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan về thông tin di động: Chương này trình bày một cách khái quát về những nét đặc trưng cũng phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G cho đến 4G Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập thông tin di động: Giới thiệu một cách tổng quan về các phương pháp đa truy nhập thông tin di động Chương 3: Kỹ thuật trải phổ W-CDMA: Trình bày về cấu trúc mạng W-CDMA và các kỹ thuật trải phổ sử dụng nó Trong quá trình thực đồ án này em đã học hỏi được nhiều điều bổ ích Nó không tăng thêm vốn kiến thức mà cịn tăng thêm khả tư duy,cách làm việc,hoạt đợng theo nhóm.Tuy nhiên với vớn hiểu biết cịn non ́u,kinh nghiệm chưa nhiều nên đồ án trình bày không tránh khỏi sai sót.Rất mong được thầy cô và các bạn góp ý,bổ sung Qua em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS NguyễnThị Minh , người đã tận tình hướng dẫn,giúp đỡ em và các bạn thực xong đồ án này Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực Nguyễn Hữu Hà 10 DANH SÁCH HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hình 1.1 Cấu trúc mạng thông tin di động số Hình 1.2 Khái niệm về hệ thống FDMA Hình 1.3 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G 12 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hình 2.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận 16 Hình 2.2 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD 18 Hình 2.3 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD 19 Hình 2.4 Nguyên lý TDMA 20 Hình 2.5 Các phương pháp đa truy nhập 21 Hình 2.6 Quá trình tạo cụm một hệ thống vô tuyến TDMA 22 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W – CDMA Hình 3.1 Cấu trúc của UMTS 27 Hình 3.2 Mô hình tổng quát và các giao diện vô tuyến của UTRAN 29 Hình 3.3 Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính 33 Hình 3.4 Mô hìn hệ thống thông tin trải phổ 35 Hình 3.5 Trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS 37 Hình 3.6 Sơ đồ máy phát DS/SS – BPSK 38 Hình 3.7 Sơ đồ máy thu DS/SS – BPSK 39 Hình 3.8 Sơ đồ máy phát cho hệ thống DS/SS – QPSK 41 Hình 3.9 Sơ đồ máy thu cho hệ thông DS/SS – QPSK 42 11 Hình 3.10 Quá trình giải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu 46 Hình 3.11 Biểu đồ tần số cho hệ thống FH điều chế FSK 49 Hình 3.12 Sơ đồ cho hệ thống FH/SS 50 Hình 3.13 Biểu đồ tần số cho hệ thống FH/SS chậm điều chế FSK 53 Hình 3.14 Hệ thống TH/SS đơn giản 54 Hình 3.15 Cây mã định kênh 56 Hình 3.16 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 57 Hình 3.17 Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng đường lên có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng 58 Hình 3.18 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức 59 Hình 3.19 Trải phổ và điều chế tin PRACH 60 Hình 3.20 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất các kênh vật lý đường xuống 61 Hình 3.21.Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp 62 Hình 3.22 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 64 12 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN A ACCH Associated Control Channels Kênh điều khiển liên kết AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến B BCCH Broadcast Control Channel Kênh quảng bá điều khiển BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Ratio Tỷ số bít lỗi BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm gốc vô tuyến BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CR Chip Rate Tốc độ chíp CS Circuit Switch chuyển mạch kênh D Kênh điều khiển dành riêng DCCH Dedicated Control Channel DPCCH Dedicated Physical Control Chanel kênh điều khiển vật lý riêng 13 DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý riêng DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh số liệu vật lý riêng DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng riêng DSCH Downlink Shared Chanel Kênh dùng chung đường xuống DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối số liệu E ETSI European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn Standards Institute thông châu âu F FACCH Fast Associated Control Channel kênh điều khiển liên kết nhanh FACH Forward Access Chanel Kênh truy nhập đường xuống FCCCH Forward Common Control Kênh điều khiển chung đường Chanel xuống Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân FDD chia theo tần số FDMA FDCCH FSK Frequence Division Đa truy nhập phân chia Multiple Access theo tần số Forward Dedicated Kênh điều khiển riêng đường Control Chanel xuống Frequency Shift Keying Khóa điều chế dịch tần G GSM Global System for Mobile 14 Hình 3.13 Biểu đồ tần số cho hệ thống FH/SS chậm điều chế FSK 3.3.5 Hệ thống nhảy thời gian ( TH/SS ) Nhảy thời gian tương tự điều chế xung Nghĩa là dãy mã đóng mở bộ phát Thời gian đóng mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình Sự khác nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chíp mã hệ thống FH/SS thì nhảy tần xảy trạng thái dịch chuyển dãy mã hệ thống TH/SS Hình 3.14 là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS Bộ điều chế dơn giản và bất kỳ dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống hệ thống ghép kênh theo thời gian Vì mục đích này mà chính xác theo thời gian được yêu cầu hệ thống nhằm thối thiểu hóa độ dư giữa các máy phát Mã hóa được sử dụng một cách cẩn thận vì tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp các hệ thống thông tin mã hóa khác 72 Tạo mã Bộ giải xung điều chế Cổng Tạo mã Cổng Tách xung Tách xung Quyết định Thông tin đầu Hình 3.14 Hệ thống TH/SS đơn giản Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hưởng dễ dàng giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn 3.3.6 So sánh hệ thống SS - Mỗi loại hệ thống đều có ưu nhược điểm Việc chọn hệ thống nào phải dựa lựa chọn đặc thù - Các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa cách trải rộng nó một phổ tần rộng Trong các hệ thống FH/SS thời điểm cho trước, những người sử dụng phát những tần số khác vì thế có thể tránh nhiễu giao thoa Các hệ thống TH/SS tránh nhiễu giao thoa cách tránh không để nhiều một người sử dụng phát cùng một thời điểm - Có thể thiết kế các hệ thống DS/SS với giải điều chế nhất quán và không nhất quán Tuy nhiên, nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó trì đồng bộ pha các hệ thớng FH/SS vì thế chúng thường địi hỏi giải điều chế không nhất quán Trong thực tế các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt sử dụng giải điều chế nhất quán giá thành mạch khóa pha sóng mang đắt 73 - Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy băng tần rộng nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS Ngoài có thể tạo tín hiệu TH/SS có độ rộng băn tần rộng nhiều so với độ rộng băng tần của DS/SS bộ tạo chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đông hồ FH/SS cũng loại trừ được các kênh tần số gây nhiễu giao thoa mạnh và thường xuyên DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề gần xa Các hệ thống FH/SS dễ bị thu trộm so với hệ thống DS/SS - Thời gian bắt mã các hệ thống FH/SS ngắn nhất, nhiên máy phát và máy thu hệ thống FH/SS đắt phức tạp của bộ tổng hợp tần số - Các hệ thống FH/SS chịu được pha đinh và các nhiễu Các máy thu DS/SS đòi hỏi mạch đặc biệt để làm việc thỏa mãn môi trường nói 3.4 Các mã trải phổ sử dụng W-CDMA Khái niệm trải phổ được áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác Đầu tiên là thao tác định kênh, đó mỗi ký hiệu số liệu được chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu Số chip một ký hiệu (hay tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu) được gọi là hệ số trải phổ (SF: Spectrum Factor), hay nói một cách khác SF = R s/Rc đó Rs là tốc độ ký hiệu cịn Rc là tớc chip Hệ sớ trải phổ là một giá trị khả biến, ngoại trừ đối với kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao (HS-PDSCH) HSDPA có SF = 16 Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hóa để tăng tính trực giao đó một mã ngẫu nhiên hóa được ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ Mã ngẫu nhiên hoá được xây dựng sở mã Gold Trong quá trình định kênh (Hình 3.15), các ký hiệu số liệu được nhân với một mã OVSF (Orthogonal Variable Spread Factor: mã trực giao hệ số khả biến) đồng bộ về thời gian với biên của ký hiệu Trong 3GPP, OVSF được sử dụng cho các tốc độ ký hiệu khác và được ký hiệu là C ch,SF,k đó SF là hệ số trải phổ của mã và k là số thứ tự mã (0kSF-1) Các mã định kênh có các tính chất trực giao và được sử dụng để phân biệt các thông tin được phát cùng từ một nguồn: (1) các kết nối khác đường xuống 74 cùng một ô đường xuống và giảm nhiễu nội ô, (2) các kênh số liệu vật lý đường lên từ một UE Trên đường xuống các mã OVSF mộ ô bị hạn chế vì thế cần được quản lý RNC, nhiên điều này không xẩy đối với đường lên Cần lưu ý chọn mã định kênh để chúng không tương quan với Chẳng hạn đã chọn mã Cch,8,4 = +1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử dụng mã Cch,16,8 = +1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; hai mã hồn tồn giớng (tích của chúng 1) và chúng sẽ gây nhiễu cho Các mã OVSF hiệu các kênh được đồng bộ hoàn hảo tại mức ký hiệu Mất tương quan chéo truyền sóng đa đường được bù trừ thao tác ngẫu nhiên hóa bổ sung Với thao tác ngẫu nhiên hóa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của tín hiệu trải phổ được nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hóa phức Mã ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng để phân biệt các nguồn phát: (1) các ô khác đối với đường xuống và (2) các UE khác đối với đường lên Các mã này có các tính chất tương quan tốt (trung bình hóa nhiễu) và được sử dụng để ‘trộn’ với các mã trải phổ không làm ảnh hưởng độ rộng phổ tín hiệu và băng thông truyền dẫn Hình 3.15 Cây mã định kênh Đường truyền giữa nút B và UE WCDMA chứa nhiều kênh Có thể chia các kênh này thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lưu lượng và (2) kênh chung mang các thông tin điều khiển và báo hiệu Đường truyền từ UE 75 đến nút B được gọi là đường lên, đường ngược lại từ nút B đến UE được gọi là đường xuống Trước hết ta xét trải phổ cho các kênh đường lên 3.5 Trải phổ điều chế đường lên 3.5.1 Trải phổ điều chế kênh riêng đường lên Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số liệu vật lý riêng, kênh để truyền lưu lượng của người sử dụng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh cùng với DPDCH để mang thông tin điều khiển lớp vật lý) được minh họa hình 3.16 Thao tác trải phở mã định kênh để phân biệt Điều chỉnh hệ số khuyếch đại Cd,1 d Cd,3 d Thao tác ngẫu nhiên hoá phức để phân biệt nguồn phát (UE) và giảm tỷ số cơng śt đỉnh cơng śt trung bình DPDCH1 Cd,5 Ghép mã I/Q (điều chế QPSK cho hai kênh) để tránh nhiễu âm nếu số liệu UL không được truyền I cos(t )  DPDCH3 d S DPDCH5 Cd,2 dpch,n I I+jQ d S DPDCH2 Cd,4 Q d DPDCH4 Cd,6 d Cc C DPDCH6  Q Phân chia phần thực phần ảo -sin(t) DPDCH Hình 3.16 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên Một DPCCH và cực đại sáu DPDCH song song giá trị thực có thể được trải phổ và phát đồng thời DPCCH được trải phở mã C¸c = Cch,256,0, đó k = Nếu một kênh DPDCH được phát đường lên, thì DPDCH1 được trải phổ với mã Cd,1 = Cch,SF,k, đó k = SF/4 là số mã OVSF và k = SF/4 Nghĩa là nếu hệ số trải phổ SF = 128 thì k = 32 Nếu 76 nhiều DPDCH được phát, thì tất DPDCH đều có hệ số trải phổ là (tốc độ bit kênh 960kbps) DPDCHn được trải phổ mã Cd,n = Cch,4,k, đó k = nếu n{1,2}, k = nếu n{3,4} và k = nếu n{5,6} Để bù trừ khác giữa các hệ số trải phổ của số liệu, tín hiệu trải phổ được đánh trọng số các hệ số khuyếch đại ký hiệu là c cho DPCCH d cho DPDCH Các hệ số khuếch đại này được tính toán SRNC và được gửi đến UE giai đoạn thiết lập đường truyền vô tuyến hay đặt lại cấu hình Các hệ số khuếch đại nằm dải từ đến và ít nhất một số các giá trị của c d luôn Luồng chip của các nhánh I và Q sau đó được cộng phức với và được ngẫu nhiên hóa một mã ngẫu nhiên hóa phức được ký hiệu là Sdpch,n hình 3.16 Mã ngẫu nhiên hóa này được đồng bộ với khung vô tuyến, nghĩa chip thứ nhất tương ứng với đầu khung vô tuyến Các nghiên cứu cho thấy phát không liên tục đường lên có thể gây nhiễu âm cho thiết bị âm đặt gần máy đầu cuối di động Thí dụ điển hình là trường hợp nhiễu tần số khung (217 Hz=1/4,615ms) gây các đầu cuối GSM Để tránh hiệu ứng này, kênh DPCCH và các kênh DPDCH không được ghép theo thời gian mà được ghép theo mã I/Q (điều chế QPSK hai kênh) với ngẫu nhiên hoá phức Minh họa hình 3.17 cho thấy sơ đồ điều chế này cho phép truyền dẫn liên tục các chu kỳ im lặng có thông tin điều khiển lớp để trì hoạt động đường truyền (DPCCH) là được phát Số liệu (DTDCH) người sử dụng Chu kỳ DTX UL Số liệu người sử dụng (DTDCH) Thông tin điều khiển lớp vật lý (DPCCH) Hình 3.17 Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng đường lên có/ khơng có (DTX) sớ liệu của người sử dụng 77 Như minh họa hình 3.18, các mã ngẫu nhiên hóa phức được tạo cách quay pha giữa các chip một chu kỳ ký hiệu giới hạn 900 Bằng cách này hiệu suất của bộ khuếch đại (liên quan đến tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình) UE hầu không đổi không phụ thụ thuộc vào tỷ số  giữa DPDCH và DPCCH DPCCH và các DPDCH có thể được ngẫu nhiên hóa các mã ngẫu nhiên dài hoặc ngắn Có 224 mã ngẫu nhiên hóa dài đường lên và 224 mã ngẫu nhiên ngắn đường lên Vì có thể sử dụng được hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã đường lên Số mã ngẫu nhiên cho DPCH (0,…., 16777215), cùng với SF thấp nhất được phép của mã định kênh (4, 8, 16, 32, 128 và 256) cho phần số liệu được ấn định các lớp cao hơn, chẳng hạn thiết lập kết nối RRC hoặc điều khiển chuyển giao UL DPCCH/các DPDCH được ghép mã I/Q với ngẫu nhiên hoá phức Trước ngẫu nhiên hoá phức (truyền dẫn song song)  = 0,5  = 0,5 =1 X  X X X X  X X X X X X   =  = 0,5  X Hình 3.18 Chùm tín hiệu đới với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hoá phức, b biểu diễn cho tỷ số công suất DPDCH và DPCCH 3.5.2 Trải phổ điều chế kênh chung đường lên PRACH Phần này sẽ trình bày ấn định mã cho tiền tố và phần tin của PRACH là một dạng kênh chung đường lên Trải phổ và ngẫu nhiên hóa phần tin PRACH được minh họa hình 3.19 78 C d d cos(t) Phần số liệu PRACH I S r-msg,n I C c I + jQ c Phần điều khiển PRACH S Q Q j Phân chia phần thực phần ảo -sin(t) Hình 3.19 Trải phổ và điều chế phần tin PRACH Phần điều khiển của tin PRACH được trải phổ mã định kênh Cc= Cch,256,m, đó m = 16.s + 15 và s (0 s 15) là chữ ký tiền tố và phần số liệu được trải phổ mã định kênh Cd = Cch,SF,m, đó SF (có giá trị từ 32 đến 256) là hệ số trải phổ sử dụng cho phần số liệu và m = SF.s/16 Phần tin PRACH luôn được trải phổ mã ngẫu nhiên hóa dài Độ dài của mã ngẫu nhiên hóa được sử dụng cho phần tin là 10ms Có tất là 8192 mã ngẫu nhiên hóa 3.6 Trải phổ điều chế đường xuống Khái niệm trải phổ và ngẫu nhiên hóa đường xuống được minh họa hình 3.20 Ngoại trừ các SCH (kênh đồng bộ ) mỗi cặp hai bit kênh trước hết được biến đổi từ nối tiếp vào song song tương ứng một ký hiệu điều chế, sau đó được đặt lên các nhánh I và Q Sau đó các nhánh I và Q được trải phổ đến tốc độ 3,84Mcps cùng mỗi mã dịnh kênh C ch,SF,m Các chuỗi chip giá trị thực các nhánh I và Q sau đó được ngẫu nhiên hóa mã ngẫu nhiên hóa phức để nhận dạng nguồn phát nút B, mã này đựợc ký hiệu là S dl,n hình 2.10 Mã ngẫu nhiên hóa này được đồng bộ với mã ngẫu nhiên hóa sử dụng cho P-CCPCH (kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp), đó chíp phức đầu tiên của khung P-CCPCH được nhân với chip sớ của mã ngẫu nhiên hóa 79 Sau trải phổ, mỗi kênh vật lý đường xuống (trừ các SCH) được đánh trọng số các hệ số trọng số riêng ký hiệu là G i hình 3.20 P-SCH S-SCH giá trị phức được đánh trọng số riêng các hệ số trọng số Gp Gs Tất các kênh đường xuống được kết hợp với cộng phức Chuỗi nhận được sau trải phổ và ngẫu nhiên hóa được điều chế QPSK Thao tác ngẫu nhiên hoá phức để phân biệtnguồn phát (nút B) Điều chỉnh hệ số khuếch đại P-SCH Gp S-SCH Kênh vật lý đường xuống bất kỳ trừ SCH Gs I  Sdl,n Cch, SF,m Q I + jQ S G1 j Thao tác trải phổ mã định kênh để phân biệt kênh cos(t )  I Q Phân chia phần thực phần ảo -sin(t) G2 Hình 3.20 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất các kênh vật lý đường xuống 3.6.1 Các mã trải phổ đường xuống Trên đường xuống, cùng các mã định kênh đường lên (mã OVSF) được sử dụng Thông thường mỗi ô có một mã và mỗi mã được đặt một mã ngẫu nhiên hóa để dùng chung cho nhiều người sử dụng Theo quy đinh, các mã định kênh dùng cho P - CPICH P - CCPCH Cch,256,0 Cch,256,1 Bộ quản lý tài nguyên RNC ấn định các mã định kênh cho tất các kênh khác với giới hạn SF=512 trường hợp sử dụng chuyển giao phân tập Mã OVSF có thể thay đổi theo từng khung kênh PDSCH (kênh chia sẻ đường xuống vật lý) Quy tắc thay đổi sau, mã (các mã) OVSF được sử dụng cho kết nối phía hệ số trải phổ nhỏ nhất là mã từ nhánh cây, mã nhánh mã được hệ số trải phổ thấp nhất này Nếu DSCH được 80 sắp xếp lên nhiều PDSCH song song, thì quy tắc tương tự được áp dụng, tất các nhánh mã được sử dụng các mã này tương ứng với hệ số trải phổ nhỏ nhất đều có thể sử dụng cho ấn định hệ số trải phổ cao 3.6.2 Các mã ngẫu nhiên đường xuống Một tập =1 mã ngẫu nhiên sơ cấp và 15 mã ngẫu nhiên thứ cấp tương ứng(k=0 15) Tậpo = { 512 mã ngẫu nhiên sơ cấp(k=0) 512x15 mã cấp(k=1 15) Sdl,0’ Sdl,1’ Tập7 = :{ ” Tậpjx8 = { Một nhóm mã =7 mã ngẫu nhiên sơ cấp và 7x15 mã ngẫu nhiên thứ cấp) Nhóm mã 63 Sdl,15 Sdl,k+112’ Sdl,16x8j+1’ Sdl,16x8j+15} Sdl,16x8j+2’ Sdl,113’ Sdl,127 } Sdl,16x8j’ : = Sdl,16x(8j+7)’ Tậpjx8+7 ” { Tập504 = { thứ Sdl,112’ : : : Nhóm mã j (j=0 63) Sdl,k’ nhiên } : : : Nhóm mã ngẫu Sdl,16x(8j+7)+1’ Sdl,16x(8j+7)+2’ Sdl,16x(8j+7)+15} Sdl,8064’ Sdl,8065’ Sdl,8064+k’ Sdl,8079’ } Sdl,8186’ Sdl,8187’ Sdl,8186+k’ Sdl,8191’ } : : : Tập511:= { ” Hình 3.21 Các mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp và thứ cấp Trên đường xuống có các mã ngẫu nhiên hóa dài là được sử dụng Có tất 218-1=262143 mã ngẫu nhiên được đánh số từ đến 262142 Các chuỗi 81 mã ngẫu nhiên được ký hiệu là Sdl,n được cấu trúc các đoạn của chuỗi Gold Để tăng tốc quá trình tìm ô, 8192 mã số 262143 được sử dụng thực tế và được cắt ngắn lấy đoạn đầu 38400 chip để phù hợp với chu kỳ khung 10 ms Như minh họa hình 3.18, có các mã với n=0,1, , 8191 được sử dụng Các mã này được chia thành 512 tập Mỗi tập gồm 16 mã (i=0…15) với một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp tập (i = 0…7) với 8x16 mã hợp thành một nhóm tạo nên 64 nhóm (j = 0…63) Vì thông thường mỗi ô được nhận dạng một mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp, nên quá trình tìm kiếm ô cũng là quá trình tìm kiếm mã này Quá trình tìm kiếm ô có thể được thực theo ba bước sau: - Tìm P-SCH (kênh đồng bộ sơ cấp) để thiết lập đồng bộ khe và đờng bợ ký hiệu - Tìm S-SCH (kênh đờng bộ thứ cấp) để thiết lập đồng bộ khung và nhóm mã - Tìm mã ngẫu nhiên hóa để nhận dạng ô 3.6.3 Ghép kênh đa mã đường xuống Để tăng dung lượng kênh đường xuống ta có thể sử dụng sơ đồ ghép kênh đa mã cho hình 3.22 Các hệ thống CDMA được xây dựng sở trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao cho phép nhiều đầu cuối di động có thể dùng chung một tần số Khi này tính trực giao của các mã và trải phổ cho phép một máy thu đầu cuối có thể dễ dàng tách được tín hiệu của mình Do sử dụng chung một tần số nên có thể áp dụng chuyển giao mềm cho CDMA Trong chuyển giao mềm một máy di động có thể kết nối đến nhiều trạm gốc cùng một tần số với mã trải phổ khác Ưu điểm của chuyển giao mềm là không làm mất cuộc gọi quá trình chuyển giao mặc dù nó làm giảm phần nào dụng lượng ô và tăng thêm tính phức tạp hệ thống Nhưng cũng vì sử dụng chung một tần số nên có thể xẩy tượng gần xa, đó máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các người 82 sử dụng khác Để khắc phục nhược điểm này phải áp dụng điều khiển công suất nhanh cho CDMA đó máy di động gần trạm gốc sẽ được điều chỉnh phát công suất thấp máy di động xa trạm gốc Điều khiển công suất nhanh WCDMA được thực 1500 lần một giây Một đặc điểm nữa của CDMA là các mã ngẫu nhiên hóa mang tính trực giao khá cao nên các đường truyền đến máy thu có độ trễ khác thời gian chip hoặc lớn thời gian này đều độc lập với và vì thế có thể sử dụng phân tập đa đường (hay máy thu RAKE) CDMA Nguyên tắc của máy thu RAKE là chọn một số đường (một số ngón) có công suất thu lớn ngưỡng, đồng chỉnh pha các đường này rồi cộng công suất thu của chúng với W-CDMA sử dụng hai tầng trải phổ: (1) trải phổ mã định kênh, (2) trải phổ mã nhận dạng nguồn phát Mã định kênh được xây dựng sở mã hệ số trải phổ trực giao khả biến (OVSF), đó hệ số trải phổ SF=Rs/Rc với Rs là tốc độ ký hiệu và Rc là tốc độ chip Mã ngẫu nhiên hóa được cấu trúc từ mã Gold W-CDMA sử dụng điều chế QPSK cho đường xuống và BPSK cho đường lên Để giảm tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình của tín hiệu điều chế, ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng Ch1 S/P  Cch,sf,1 I : : Ch2 S/P Sdln Cch,sf,2 I+jQ : : : : Đến điều chế QPSK S/P Cch,sf,N : :  Q j Hình 3.22 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 83 3.7 Kết luận chương Ở chương này đã nêu tổng quát về cấu trúc mạng W-CDMA và trình bày các kỹ thuật trải phổ sử dụng W-CDMA Trải phổ chuỗi trực tiếp ( DS/SS - Direct Sequence Spread Spectrum ): Tín hiệu mang thông tin được nhân trực tiếp mã trải phổ tốc độ cao Trải phổ nhảy tần ( FH/SS - Frequency Hopping Spread Spectrum ): Sóng mang có tần số thay đổi tại mỗi thời điểm tín hiệu thông tin được truyền tùy thuộc vào mã trải phổ Trải phổ dịch thời gian (TH/SS-Time Hopping Spread Spectrum): Một khối các bít số liệu được nén và phát ngắt quãng một hay nhiều khe thời gian một khung chứa một số lượng lớn các khe thời gian Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn mỗi khung Hay nói cách khác, Hệ thống DS/SS là tất 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 tín hiệu mong muốn cách giải trải phổ Các tín hiệu các xuất dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Ở các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người được ấn định một mã giả ngẫu nhiên cho không có cặp nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, đó các máy phát sẽ tránh được xung đột Như vậy Fh và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột DS là kiểu hệ thống lấy trung bình 84 KẾT LUẬN Trong thông tin di động, công nghệ WCDMA đời là một bước phát triển lớn, nó làm tăng tốc độ truy cập mạng, hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ Internet di động đa phương tiện với chất lượng được cải thiện so với 2,5G Với công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp WCDMA đã thực là bước đột phá vấn đề mở rộng băng tần và chất lượng tín hiệu, phần nào đã đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng Tuy nhiên nhu cầu và số lượng người sử dụng ngày càng cao nên tốc độ truyền dữ liệu 2Mbps và độ rộng băng tần MHz của WCDMA chưa đáp ứng được Do đó cần một công nghệ mới, dựa nền WCDMA, để tạo tốc độ truyền dữ liệu lớn đáp ứng được nhu cầu về thông tin Sau thời gian tiến hành học tập, nghiên cứu và tìm hiểu các tài liệu chuyên môn có liên quan cùng với bảo nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn, em đã hoàn thành đồ án theo đúng mục tiêu đề Qua thời gian triển khai làm đồ án này cũng đã giúp em có nhiều kinh nghiệm làm việc và những kiến thức bổ ích Tuy nhiên thời gian có hạn cộng với kinh nghiệm và kiến thức của thân hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong các thầy cô cùng các bạn góp ý bổ sung Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thị Minh đã tận tình giúp em hoàn thành đồ án này Sinh viên thực Nguyễn Hữu Hà 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động hệ 3”, Nhà xuất bưu điện, 2001 [2] Nguyễn Văn Thuận, “Hệ thống thông tin di động WCDMA”, Nhà xuất Học viện bưu chính viễn thông, 2004 [3] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và đa truy cập vô tuyến”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Nhà xuất Bưu điện, 2004 [4] Khoa điện tử viễn thông “Giáo trình thông tin di động”, Nhà xuất Khoa học và kỹ thuật, 2007 [5] Vũ Đức Thọ, “Tính toán mạng thơng tin di đợng Cellular”, Nhà xuất Giáo Dục, 2001 [6] Đặng Đình Lâm, “Hệ thống thông tin di động 3G và xu hướng phát triển”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2004 [7] Dr.Ing Wolfgang Granzow, “3rd Generation Mobile Communications Systems”, 2004 86 ... tài: “Công nghệ W- CDMA kỹ thuật trải phổ W- CDMA? ?? nhằm tìm hiểu những kiến thức về cấu trúc của mạng W- CDMA cũng các phương pháp đa truy nhập hay kỹ thuật trải phổ W- CDMA Nội dung... nhập thông tin di động Chương 3: Kỹ thuật trải phổ W- CDMA: Trình bày về cấu trúc mạng W- CDMA và các kỹ thuật trải phổ sử dụng nó Trong quá trình thực đồ án này em đã học... theo mã, CDMA 41 2.4 Đa truy nhập phân chia theo không gian, SDMA 42 2.5 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W- CDMA 44 3.1 Cấu trúc W- CDMA