Hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA đã được phát triển đểđo kiểm các khả năng của hệ thống anten thông minh cho W-CDMA một cách hiệu quả. Hệ thống thử nghiệm anten thông minh có bốn phần
chính: thiết bị người dùng (UE), phân hệ RF (RFS); phân hệ xử lý số (DPS) và phân hệ mô phỏng mạng (NSS). Các phân hệ này được thực hiện dựa trên mô hình tham chiếu hệ thống chuẩn của Dự án đối tác hệ thống thế hệ thứ 3 - 3GPP . Các giao thức mạng và báo hiệu tuân thủ theo cấu trúc của Dự án đối tác hệ thống thế hệ thứ 3 .
Hình 4.10. Hệ thống anten thông minh thử nghiệm tại Viện Nghiên cứu ETRI
Hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA IMT-2000 được sử dụng dể đo kiểm tại Viện Nghiên cứu ETRI có những đặc trưng chính sau: [27]
+ Khối RF/IF:
o Định cỡ tức thời
SA-RTS ABFCC #0 Sect. 1 BFNC Sect. 2 BFNC SPDM (PC) Sector 1 Sect. 3 BFNC .. . ANT # 8 ANT # 1 ABFCC #1 Hub BF Display (PC) SMAT Commercial UE Commercial UE CKU RECAU RECU (8way) TRCU (8way) TRCAU CALU (8way) RFFU (8way) Sector 2 Sector 3 1 2 3 4 5 6 7 8 RF/IF Digital UE thương mại o 8 anten/ séc-tơ (4 tần số (FA)/séc-tơ) + Khối xử lý số o Đường xuống: bộ chuyển búp sóng, 12 búp cốđịnh / 1 séc-tơ
o Đường lên: Bộ tạo búp thích nghi, sử dụng thuật toán Trung bình Bình phương Nhỏ nhất chuẩn
o Bộ giải điều chế: mỗi nhánh có thể hoạt động ở ba chế độ: tạo búp thích nghi, chuyển búp sóng và phân tập 2 anten.
+ Điều kiện đo kiểm:
o Bộ mô phỏng thiết bị đầu cuối người sử dụng (UE): Công cụ phân tích modem anten thông minh
o Máy đầu cuối W-CDMA thương mại của Samsung
o Bộ mô phỏng lớp 2/3 ở trạm gốc BS: Khối giám sát phân tích chỉ tiêu anten thông minh (SPDM)
Hình 4.11. Cấu hình hệ thống anten thông minh cho W-CDMA sử
dụng trong đo kiểm
Hình 4.11 trình bày cấu trúc khối chức năng của hệ thống thử nghiệm
anten thông minh cho W-CDMA. UE là một máy cầm tay thương mại do Samsung sản xuất. Phân hệ RF bao gồm: bộ khuyếch đại công suất cao, bộ
khuyếch đại tạp âm thấp, bộđổi tần phát (TRCU), Bộ đổi tần thu (RECU), và bộđịnh cỡ (CALU); Bộđổi tần lên và xuống tương ứng trong Bộđổi tần phát và Bộđổi tần thu. Bộ lọc đáp ứng impulse hữu hạn cho tín hiệu I- và Q- băng gốc được lắp trong Bộ định cỡ CALU. Mỗi bộ khuyếch đại công suất cao và bộ khuyếch đại tạp âm thấp tương ứng với một Bộ đổi tần phát và Bộđổi tần thu. Mỗi hệ thống hỗ trợ tối đa 4 tần số (FA) hoặc anten; Một bộ định cỡ hỗ trợ một tần số. Do mảng 8 anten được sử dụng và mỗi séc-tơ hỗ trợ tối đa 4 tần số, nên 8 bộ khuyếch đại công suất cao, 8 Bộ đổi tần phát, 8 bộ khuyếch đại tạp âm thấp, 8 Bộđổi tần thu và 4 Bộđịnh cỡ CALU sẽđược lắp đặt trong một séc-tơ. Hệ thống anten thông minh cho W-CDMA hỗ trợ tối đa 3 séc-tơ và lên tới 192 tín hiệu băng gốc (2 tín hiệu băng gốc/anten x 8 anten/séc-tơ x 4 tần số x 3 séc-tơ), với tốc độ 30,72 Mcps (384 kcps x 8 bít/chip) được truyền từ khối xử lý số qua đường báo hiệu vi sai điện áp thấp (LVDS).
Phân hệ xử lý số bao gồm bộ điều khiển mạch tạo búp sóng, hệ thống modem, bộđiều khiển modem, và bộ xử lý trung tâm (DCPU). Bộ điều khiển mạch tạo búp sóng định truyến tín hiệu băng gốc giữa Bộđịnh cỡ và hệ thống modem. Hệ thống modem trong hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA được thực hiện nhờ vi mạch có thể lập trình và sẽ có kiểu chíp là mạch tổ hợp riêng cho ứng dụng (ASIC). Bộ điều khiển modem và bộ xử lý trung tâm được thực hiện bằng cách sử dụng bộ xử lý tín hiệu số và cạc kênh tương ứng. Bộ xử lý chính của cạc kênh xử lý các bản tin báo hiệu giữa UE và Phân hệ mô phỏng mạng. Một bộ điều khiển mạch tạo búp sóng hỗ trợ 1 séc- tơ và truyền tải tối đa 64 tín hiệu băng gốc 30,72 Mcps. Với một tần số, 12 búp sóng được tạo lập trong 1 séc-tơ và có thể đáp ứng tối đa 360 người sử dụng đàm thoại đồng thời trong 1 sec-tơ. Mỗi cạc kênh hỗ trợ tối đa 64 kênh, và cần 6 cạc kênh để hỗ trợ 1 séc-tơ có 1 tần số. Có thể trang bị tối đa 18 cạc kênh trong một giá xử lý số - ứng với 3 séc-tơ x tần số.
- Định cỡ:
+ Mục đích: bù đắp những phần không trùng khít của các đường truyền đẫn RF để tạo lập búp sóng một cách chính xác.
+ Đặc điểm: Đánh giá mỗi hàm truyền bằng một tín hiệu định cỡ khác nhau. Tính toán hiệu quảđịnh cỡ phức từ các hàm truyền đã được đánh giá bằng bộ điều khiển DSP. Ghép các tín hiệu phát hoặc tín hiệu thu dựa vào hiệu quảđịnh cỡ.
+ Thực hiện tương ứng trên máy phát và máy thu
Phân hệ mô phỏng mạng bao gồm Khối giao diện mạng, Khối quản lý lưu lượng, bộ xử lý trung tâm và khối giao diện người sử dụng. Nền của phân hệ mô phỏng mạng là một máy tính PC và các nhiệm vụ đều được thực hiện bằng phần mềm. Khối giao diện mạng được nối với bộ xử lý trung tâm của phân hệ xử lý số qua mạng Ethernet. Lưu lượng được xử lý trong Khối quản
lý lưu lượng mạng. Bộ xử lý trung tâm là bộ xử lý chính của phân hệ mô phỏng mạng và làm nhiệm vụ xử lý các bản tin báo hiệu. Khối giao diện người sử dụng cung cấp cho người dùng dịch vụ thoại hoặc hình. Chức năng của Khối quản lý lưu lượng mạng, bộ xử lý trung tâm, và Khối giao diện người sử dụng tương ứng với lớp 2, lớp 3, và lớp ứng dụng của giao thức của Dự án đối tác hệ thống thế hệ thứ 3 . Các khối chức năng này liên tục với khối giao thức tương ứng của UE.
- Bộđiều chế:
+ Kênh không truyền dẫn: Kênh hoa tiêu chung - CPICH, Kênh đồng bộ - SCH, Kênh báo chiếm kênh - AICH, Kênh báo nhắn tin - PICH
+ Tối đa 32 kênh truyền dẫn: kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp - PCCPCH, kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp - SCCPCHs, kênh vật lý dành riêng - DPCHs
+ Mỗi kênh kênh vật lý dành riêng DPCH có thể hoạt động ở cả chế độ phân tập và chếđộ tạo búp sóng chuyển mạch + Tạo búp sóng đường xuống: 12 búp sóng cốđịnh (số búp sóng trên một séc-tơ là 12). - Bộ giải điều chế: + Cấu trúc dùng chung nhánh + Mỗi nhánh có thể hoạt động ở 3 chếđộ: tạo búp sóng thích nghi, tạo búp sóng cốđịnh, 2 anten phân tập
+ Thuật toán Trung bình bình phương nhỏ nhất chuẩn được sử dụng cho ABF ởđường lên
+ Tín hiệu tham chiếu chuẩn để đánh giá kênh, bám thời gian, đánh giá SIR và ABF là kênh điều khiển vật lý dành riêng-DPCCH ởđường lên. - Bộ dò tìm:
+ Bộ dò tìm ban đầu: của sổ tìm kiếm là 256 chíp, chỉ ở chế độ phân tập (đẳng hướng)
+ Bộ dò tìm đa đường: dò trễ và búp sóng (chuyển búp sóng)- của sổ dò tìm là 64, số búp sóng là 12; Kết quả tìm kiếm có thểđược sử dụng cho kỹ thuật Chuyển búp sóng ở đường xuống; có thể hoạt động cảở chế độ phân tập (đẳng hướng)
- Khối xử lý số:
+ Mã hoá và giải mã kênh truyền dẫn: Turbo/Viterbi + Giao diện với lớp cao hơn qua bộ xử lý trung tâm
+ Điều khiển modem: điều khiển thủ tục kênh truy nhập ngẫu nhiên, điều khiển công suất ban đầu, điều khiển Chuyển búp sóng đường xuống, điều khiển ABF đường lên, thuật toán phân bổ nhánh cho đường lên.
Hình 4.13. Mẫu búp sóng cốđịnh đường xuống -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Độ Công suất 8 phần tử anten, 12 búp sóng, khoảng cách:63mm, 2000 MHz
4.4.4. Kết quảđo kiểm trên hệ thống thử nghiệm
Kết quả giám sát búp sóng ở đường lên và đường xuống của hệ thống thử nghiệm.
Hình 4.14. Dạng búp sóng đường xuống (chuyển mạch búp sóng) và
đường lên (búp sóng thích nghi)
Kết quảđo kiểm chỉ tiêu:
Hình 4.15 và Hình 4.16 giới thiệu chỉ tiêu hệ thống khi dùng ABF trong
hệ thống thử nghiệm. Trong Hình 4.15, ta thấy tỉ số tín hiệu trên tạp âm tăng thêm khoảng 3,5-4,5dB khi dùng ABF 8-anten so với khi sử dụng phân tập 2
anten (DIV). Hình 4.16 cho thấy sự cải thiện thêm 1,2dB khi dùng ABF 8- anten thay cho DIV 2-anten. Như vậy, tổng thể chỉ tiêu của hệ thống được cải thiện khoảng 5,5 đến 6 dB khi dùng ABF 8-anten so với DIV 2-anten.
Hình 4.15. Kết quảđo kiểm SNR trên Hệ thống thử nghiệm theo giá trị
SIRtargetđặt trước
Hình 4.16. Kết quảđo kiểm BLER cho ABF 8-anten và DIV 2-anten
1 2 3 4 5 6 7 -2 0 2 4 6 8 3.5 dB 3.5 dB 4.5 dB M eas ur ed S N R
Target SIR(For ABF) ABF DIV -4 -3 -2 -1 0 1 0.01 0.1 1 1.2 dB U p lin k BL ER
Target SIR(ABF and DIV respectively) ABF DIV
Qua việc phát triển hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA, chúng ta có thể khẳng định rằng hệ thống anten thông minh sẽ làm tăng đáng kể dung lượng hệ thống. Trong hệ thống thử nghiệm, 12 búp sóng được tạo lập trong 1 séc-tơ và dung lượng hệ thống tăng khoảng 4 lần.
4.5. Xử lý kết quả đo kiểm và so sánh với kết quả mô phỏng
Để có thể so sánh kết quảđo kiểm và kết quả mô phỏng, trước tiên ta cần chuyển đổi từ kết quảđo BLER theo SIR sang BER theo Eb/No.
Trong cấu trúc đường lên W-CDMA, kênh vật lý dành riêng - DPCH gồm kênh dữ liệu vật lý dành riêng - DPDCH (với các hệ số trải phổ có thể là: 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256) và kênh điều khiển vật lý dành riêng - DPCCH (chỉ với hệ số trải phổ là 64). Hai kênh này tuỳ theo hệ số trải phổ của mình sẽ có công suất tương ứng là βd, và βc. Đại lượng tỉ số công suất được định nghĩa là
β= c d β β .
Đề xuất công thức chuyển đổi Eb/No và SIRtarget:
Trong hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-CDMA, luồng bít thông tin được mã hoá với tỉ lệ 1/3 cho điều chế ký hiệu, như vậy năng lượng bít thông tin bằng 3 lần năng lượng ký hiệu kênh DPDCH, tính bằng dB:
Eb=Es|DPDCH + 10log3= Es|DPDCH+4,77 (dB) (4.28) Theo tỉ lệ tuyến tính: Es|DPDCH = β2.Es|DPCCH. 256 |DPDCH fact S (4.29) Định nghĩa: χ = 256 |DPDCH fact S (4.30) Es|DPDCH tính bằng dB có thểđược tính theo công thức sau:
0 1 2 3 4 5 6 7 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 5 dB BE R Eb/No ABF DIV Es|DPDCH = β2 + Es|DPCCH + χ (dB) (4.31) Thay (4.31) vào (4.28), Eb có thểđược tính theo công thức sau (tính bằng dB)
Eb = β2 + Es|DPCCH + χ + 4,77 (dB) (4.32) Trong hệ thống thử nghiệm sử dụng trong đo kiểm, Sfactor của DPDCH = 64, Sfactor của DPCCH = 256, như vậy χ = 64/256 = ¼ (hay bằng –6dB). βd =15, βc=8 nên β =15/8, Như vậy: β2(dB) = 5,45 dB Với SIRtarget = t DPCCH S I E |
= 1dB (trong đó It là tổng nhiễu) thì Eb/No bằng: Eb/No = 5,45 + 1 – 6 + 4,77 = 5,22 dB (4.33) Nói cách khác, có thể chuyển đổi
Eb/No = SIRtarget + 4,22 dB (4.34) Với hệ thống W-CDMA, tỉ lệ lỗi bít khối BLER thấp hơn BER khoảng 10 lần (nghĩa là nếu BLER =10-2 thì BER xấp xỉ cỡ 10-3) [33]. Như vậy, kết quả đo có thểđược biểu diễn lại nhưHình 4.17.
Kết quảđo chỉ tiêu cho trường hợp DIV 2-anten rất giống với kết quả mô phỏng cho kỹ thuật phân tập. Còn trường hợp ABF 8-anten chỉ tiêu đo được tốt hơn kết quả mô phỏng do hệ thống đo kiểm sử dụng 8 anten để tạo búp trong khi kết quả mô phỏng được thực hiện cho chỉ 4 anten.
4.6. Tổng kết chương
Chương này đã đề xuất một kỹ thuật phối hợp cho chép có được ưu điểm của cả hai kỹ thuật phân tập và tạo búp cho hệ thống W-CDMA. Hệ thống này sẽ tận dụng được ưu điểm của việc giảm nhiễu búp sóng mà vẫn có được phân tập thu, đặc biệt là trong môi trường pha đinh khi tín hiệu tới các phần tử anten mảng không bao giờ có thể là tương quan hoàn toàn.
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trong môi trường nhiều người dùng, pha-đinh mạnh, kỹ thuật phối hợp cả tạo búp và phân tập cho chỉ tiêu tốt hơn hệ thống tạo búp ở giá trị Eb/No lớn hơn 8dB, mặc dù dưới giá trị này chỉ tiêu của hệ thống tạo búp vẫn lớn hơn. Như vậy, có thể thấy rằng kỹ thuật phối hợp được luận án đề xuất sẽ đặc biệt có ý nghĩa để triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao, đòi hỏi có tỉ số Eb/No lớn.
Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W- CDMA tại Viện nghiên cứu ETRI cho trường hợp DIV 2-anten và ABF 8- anten đã được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của các kết quả mô phỏng. Để có thể so sánh kết quả mô phỏng và đo kiểm, công thức chuyển đổi giữa SIRtarget và Eb/No cho hệ thống W-CDMA cũng đã được xây dựng. Qua đó, ta thấy rằng kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả đo kiểm và chứng tỏ được độ tin cậy của phương án đề xuất.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận
1. Thuật toán tạo búp thích nghi kết hợp trung bình bình phương nhỏ nhất và hằng số theo khối trên cả kênh hoa tiêu và kênh lưu lượng được sử dụng cho đường lên hệ thống DS-CDMA có tốc độ hội tụ nhanh hơn nhờ phép cập nhật trọng số kết hợp. Thuật toán kết hợp này hoàn toàn dựa trên hai thuật toán kinh điển, không làm tăng độ phức tạp tính toán và phù hợp với khả năng xử lý của các thiết bị hiện nay.
2. Việc ứng dụng anten thông minh chuyển búp sóng ở các hệ thống thông tin di động GSM hiện tại (N=4) có thể làm dung lượng hệ thống tăng thêm 30% so với anten dẻ quạt, và lớn gấp 3 lần (khi số búp sóng của anten là 12) so với anten đẳng hướng. Việc sử dụng mẫu tái sử dụng tần số mới N=3 được đề xuất trong luận án có thể tiếp tục làm tăng dung lượng hệ thống lên thêm 30% nữa.
3. Mẫu tái sử dụng tần số mới N=3 cho hệ thống GSM khi sử dụng anten thông minh là khả thi do tỉ số CIR hiện tại được tính toán, so sánh đã bao gồm mức dự trữ công suất từ 7,5dB đến 8,5dB đủ dự phòng cho các ảnh hưởng của pha-đinh và che khuất. Hơn nữa, hiệu suất phổ khi dùng anten chuyển búp sóng so với anten đẳng hướng trong môi trường pha-đinh và che khuất đã được chứng minh là lớn hơn trong không gian tự do.
4. Trong môi trường pha-đinh, tín hiệu tới các phần tử anten mảng không bao giờ là tương quan hoàn toàn. Kỹ thuật phối hợp tạo búp và phân tập được đề xuất cho hệ thống W-CDMA tận dụng được ưu điểm của việc làm giảm nhiễu búp sóng mà vẫn có được phân tập thu. Kết quả mô phỏng cho thấy trong môi trường nhiều người dùng, pha-đinh mạnh, kỹ thuật phối hợp tạo
búp và phân tập cho chỉ tiêu tốt hơn hệ thống tạo búp ở giá trị Eb/No lớn hơn 8dB – phù hợp để triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao. 5. Kết quả đo kiểm trên hệ thống thử nghiệm anten thông minh cho W-