2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1. Mục đích chương
• Hiểu tổng quan trải phổ và phương pháp đa truy nhập của WCDMA
• Hiểu điều khiển công suất, chuyển giao mềm và máy thu phân tập đa đường (RAKE)
• Hiểu các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chế của WCDMA
2.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương
• Nguyên lý trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã
• Điều khiển công suất
• Chuyển giao
• Máy thu phân tập đa đường (máy thu RAKE)
• Các dạng mã trải phổ và các sơ đồ điều chết được sử dụng cho WCDMA
2.1.3. Hướng dẫn
• Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương
• Tham khảo thêm các tài liệu tham khảo cuối tài liệu giảng dạy của khóa học
2.2. TRẢI PHỔ VÀ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ 2.2.1. Các hệ thống thông tin trải phổ
Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu:
* Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin.
Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên. WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc
là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 2.1 minh họa quá trình trải phổ trong đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb. Hình 2.1a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đó luồng số cần truyền x có tốc độ Rb được nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào. Các hình 2.1b và 2.1b biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian và miền tần số.
Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c
x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; Tb là thời gian một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit của luồng số cần truyền; Tc là thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã trải phổ. Rc=15Rb và Tb=15Tc.
Hình 2.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:
1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci×ci=1
2. Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci×cj=ck
3. Có số bit 1 bằng số bit -1 trong một mã →
1 1 0 N k k C N = = ∑ , trong đó N là số chip và Ck là giá trị chip k trong một mã
Bảng 2.1. cho thấy thí dụ sử dụng bộ mã gồm tám mã trực giao: c0, c1, …, c7. Bảng 2.2 và 2.3 cho thấy thí dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và nhân hai mã khác nhau trong bảng 2.1 ta được một mã mới..
Bảng 2.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao c0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 c4 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 c5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 c6 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 c7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1
Bảng 2.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một
c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
× × × × × × × × ×
c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
c1×c1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1
Bảng 2.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập 8 mã
c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1
× × × × × × × × ×
c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1
= c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1
Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào không gian tập các tín hiệu y như sau:
1 1 K K i i i i i y y c x = = =∑ ∑= (2.1)
Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk). Nhân (2.1) với xk
và áp dụng quy tắc trực giao nói trên ta được:
1 K k k i i i i k x x c x = ≠ = +∑ % (2.2)
Thành phần thứ nhất trong (2.2) chính là tín hiệu hữu ích còn thành phần thứ hai là nhiễu của các người sử dụng còn là nhiễu của các người sử dụng khác được gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa người sử dụng). Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trọng miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 2.2 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA có K người sử dụng với giả thiết công suất phát từ K máy phát như nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 2.2a cho thấy sơ đồ giải trải phổ DSSS. Hình 2.2b cho thấy phổ của tín hiệu tổng được phát đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 2.2c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải phổ tại máy thu k và hình 2.2d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thông thấp với băng thông băng Rb.
Hình 2.2. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu.
Từ hình 2.2 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật được tô đậm trên hình 2.2.b và tổng diện tích các hình chữ nhật trắng trên hình 2.2.c: SIR=S1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ số Rc/Rb. vì thế tỷ số Rc/Rb được gọi là độ lợi xử lý (TA: Processing Gain).
2.3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Trong trường hợp một máy phát gây nhiễu đến gần máy thu k (đến gần nút B chẳng hạn), công suất của máy phát này tăng cao dẫn đến MAI tăng cao, tỷ số tín hiệu trên nhiễu giảm mạnh và máy thu k không thể tách ra được tín hiệu của mình. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng gần và xa. Để tránh hiện tượng này hệ thống phải điều khiển công suất sao cho công suất thu tại nút B của tất cả các UE đều bằng nhau (lý tưởng). Điều khiển công suất trong WCDMA được chia thành:
√ Điều khiển công suất vòng hở
√ Điều khiển công suất vòng kín
Điều khiển công suất vòng hở được thực hiện tự động tại UE khi nó thực hiện thủ tục xin truy nhập Nút B (dựa trên công suất mà nó thu được từ kênh hoa tiêu phát đi từ B), khi này UE chưa có kết nối với nút này. Còn điều khiển công suất vòng kín được thực hiện khi UE đã kết nối với nút B. Điều khiển công suất vòng hở lại được chia thành:
√ Điều khiển công suất vòng trong được thực hiện tại nút B. Điều khiển công suất vòng trong được thực hiện nhanh với 1500 lần trong một giây dựa trên so sánh SIR thu với SIR đích
√ Điều khiển công suất vòng ngoài được thực hiện tại RNC để thiết lập SIR đích cho nút B. Điều khiển công suất này dựa trên so sánh tỷ lệ lỗi khối (BLER) thu được với tỷ lệ đích.
2.4. CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG CDMA
Thông thường chuyển giao (HO: Handover) được hiểu là quá trình trong đó kênh lưu lượng của một UE được chuyển sang một kênh khác để đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Tuy nhiên trong CDMA khái niệm này chỉ thích hợp cho chuyển giao cứng còn đối với chuyển giao mềm khái niệm này phức tạp hơn, ta sẽ xét cụ thể trong phần dưới đây. Có thể chia HO thành các kiểu HO sau:
√ HO nội hệ thống xẩy ra bên trong một hệ thống WCDMA. Có thể chia nhỏ HO này
thành
o HO nội hệ thống giữa các ô thuộc cùng môt tần số sóng mang WCDMA
o HO giữa các tần số (IF-HO) giữa các ô hoạt động trên các tần số WCDMA
khác nhau
√ HO giữa các hệ thống (IS-HO) giữa các ô thuộc hai công nghệ truy nhập vô tuyến
(RAT) khác nhau hay các chế độ truy nhập vô tuyến (RAM) khác nhau. Trường hợp thường xuyên xẩy ra nhất đối với kiểu thứ nhất là HO giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE. Tuy nhiên cũng có thể là IS-HO giữa WCDMA và hệ thống các hệ thống CDMA khác (cdma2000 1x chẳng hạn). Thí dụ về HO giữa các RAM là HO giữa các chế độ UTRA FDD và UTRA TDD.
√ Chuyển giao cứng (HHO) là các thủ tục HO trong đó tất cả các đường truyền vô tuyến cũ của một UE được giải phóng trước khi thiết lập các đường truyền vô tuyến mới
√ Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (xem hình 2.3) là các thủ tục
trong đó UE luôn duy trì ít nhất một đường vô tuyến nối đến UTRAN. Trong chuyển giao mềm UE đồng thời được nối đến một hay nhiều ô thuộc các nút B khác nhau của cùng một RNC (SHO nội RNC) hay thuộc các RNC khác nhau (SHO giữa các RNC). Trong chuyển giao mềm hơn UE được nối đến ít nhất là hai đoạn ô của cùng một nút B. SHO và HO mềm hơn chỉ có thể xẩy ra trên cùng một tần số sóng mang và trong cùng một hệ thống.
Hình 2.3. Chuyển giao mềm (a) và mềm hơn (b)
Phụ thuộc sự tham gia trong SHO, các ô trong một hệ thống WCDMA được chia thành các tập sau đây:
√ Tập tích cực bao gồm các ô (đoạn ô) hiện đang tham gia vào một kết nối SHO của
UE
√ Tập lân cận/ tập được giám sát (cả hai từ được sử dụng như nhau). Tập này bao
gồm tất cả các ô được giám sát/đo liên tục bởi UE và hiện thời không có trong tập tích cực
√ Tập được phát hiện. Tập này bao gồm các ô được UE phát hiện nhưng không thuộc
tập tích cực lẫn tập lân cận.
SHO là một tính năng chung của hệ thống WCDMA trong đó các ô lân cận họat động trên cùng một tần số. Trong chế độ kết nối, UE liên tục đo các ô phục vụ và các ô lân cận (do RNC chỉ dẫn) trên tần số sóng mang hiện thời. UE so sánh các kết quả đo với các ngưỡng HO do RNC cung cấp và gửi báo cáo kết quả đo đến RNC khi thực hiện các tiêu chuẩn báo cáo. Vì thế SHO là kiểu chuyển giao được đánh giá bởi đầu cuối di động (MEHO: Mobile Estimated HO). Tuy nhiên giải thuật quyết định SHO được đặt trong RNC. Dựa trên các báo cáo kết quả đo nhận được từ UE (hoặc định kỳ hoặc được khởi động bởi một số các sự kiện nhất định), RNC lệnh cho UE bổ sung hay loại bỏ một số ô khỏi tập tích cực của mình (ASU: Active Set Apdate: cập nhật tập tích cực).
2.5. MÁY THU PHÂN TẬP ĐA ĐƯỜNG HAY MÁY THU RAKE
Phađinh đa đường trên kênh vô tuyến dẫn đến tán thời và chọn lọc tần số làm hỏng tín hiệu thu. Để đánh giá hiện tượng tán thời trên đường truyền vô tuyến, người ta phát đi một xung hẹp (xung kim) và đo đáp ứng xung này tại phía thu. Đáp ứng này là bức tranh thể hiện sự phụ thuộc công suất của các đường truyền khác nhau đến máy thu vào thời gian trễ của các đường truyền này. Đáp ứng này được gọi là lý lịch trễ công suất. Hình 2.4a cho thấy truyền sóng đa đường và hình 2.4b cho thấy thí dụ về lý lịch trễ công suất.
Hình 2.4. Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ công suất
Chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên được phát đi ở CDMA có thuộc tính là các phiên bản dịch thời của nó tại phía thu hầu như không tương quan. Như vậy một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu theo nhiều đường khác nhau (thời gian trễ khác nhau) có thể được phân giải vào các tín hiệu phađinh khác nhau bằng cách lấy tương quan tín hiệu thu chứa nhiều phiên bản dịch thời của chuỗi giả ngẫu nhiên. Máy thu sử dụng nguyên lý này được gọi là máy thu phân tập đa đường hay máy thu RAKE (hình 2.5).
Hình 2.5. Máy thu RAKE
Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan và được kết hợp. Đường trễ bao gồm nhiều mắt trễ có thời gian trễ bằng thời gian một chip Tc. Máy thu dịch định thời bản sao mã trải phổ từng chip cho từng ký hiệu thông tin để giải trải phổ ký hiệu trong vùng một ký hiệu và tạo nên lý lịch trễ công suất (xem hình 2.5a). Với tham khảo lý lịch trễ công suất (bức tranh thể hiện công suất và trễ của các đường truyền) được tạo ra, máy thu chọn các đường truyền có công suất vượt ngưỡng để kết hợp RAKE trên cơ sở số lượng bộ tương quan, bộ ước tính kênh và bộ bù trừ thay đổi pha (được gọi là các ngón máy thu RAKE). Trong trường hợp áp dụng thu phân tập không gian hay phân tập giữa các đoạn ô, lý lịch trễ công suất được tạo ra cho mỗi nhánh và các đường truyền được chọn từ lý lịch trễ công suất suất tổng hợp của tất cả các nhánh. Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ gồm nhiễu của các người sử dụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử dụng, nên giá trị ngưỡng được lập dưạ trên mức công suất tạp âm nền và các đường truyền có SIR hiệu dụng (có công suất thu vượt ngưỡng) được chọn. Vì MS chuyển động (hoặc môi trường truyền sóng thay đổi khi MS cố định), nên vị trí đường truyền (thời gian trễ) được kết hợp RAKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi, máy phải định kỳ cập nhật lý lịch trễ đường truyền và cập nhật các đường truyền được kết hợp RAKE trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này được gọi là tìm kiếm đường truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đường truyền để kết hợp RAKE).
2.6. CÁC MÃ TRẢI PHỔ SỬ DỤNG TRONG WCDMA
Khái niệm trải phổ được áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác. Đâu tiên là thao tác định kênh, trong đó mỗi ký hiệu số liệu dược chuyển thành