Cấu trúc tổng quan gồm các phần tử logic và các giao diện .Hệ thống W- CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng cĩ thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vơ tuyến
Trong đĩ mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch kênh (MSC) và các
nút hỗ trợ chuyển mạch gĩi (SGSN) .Các kênh thoại và kênh truyền số liệu được kết nối với các mạng ngồi thơng qua các trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC) và nút chuyển mạch gĩi cổng (GGSN) .Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với các mạng ngồi như ISDNm ,PSTN thì cần cĩ thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF) .Ngồi ra cịn cĩ các cơ sở dữ liệu cần thiết cho mạng thơng tin di động như :HLR ,AUC và
74 PLMN,PSTNI SDN Internet Các m ng ạ ngo ià MSC/ VLR GMSC GGSN SGSN HLR CN RNC Node B Node B RNC Node B Node B IUb IUr UTRAN IU USIM ME CU UE UU
EIR.
Mạng truy nhập vơ tuyến gồm các phần tử sau :
RNC :Bộ điều khiển mạng vơ tuyến cĩ vai trị như BSC ở mạng GSM
NB :Nút B đĩng vai trị như BTS ở mạng GSM
MS :Trạm di động
TE :Thiết bị đầu cuối
Giao diện giữa MSC và RNC là IU CS ,giao diện giữa SGSN và RNC là IU
PS ,giao diện giữa các RNC là Iur ,giao diện giữa RNC và nút B là Iub.
Trong W-CDMA cịn cĩ thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hĩa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên cơng nghệ vơ tuyến W- CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hồn tồn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính tồn cầu trên cơ sở cơng nghệ GSM.
3.3. Anten thơng minh tại máy di độngmáy di động máy di động
Do tính phức tạp của hệ thống cao và tiêu thụ cơng suất lớn, nên cho đến nay kỹ thuật anten chủ yếu được xét ở trạm gốc. Tuy nhiên gần đây anten đã và đang được áp dụng cho các đầu cuối di động.
Hệ thống tốc độ dữ liệu cao (HDR) (được sử dụng trong IS-856 và được gọi là 1xEV DO) được QUALCOM phát triển sử dụng anten kép tại trạm di động. Mỗi một tín hiệu anten được đưa đến các bộ thu Rake của nĩ để kết hợp các tín hiệu từ các đường truyền khác nhau như thấy trong hình 3.3. Khi đĩ, kết hợp phân tập tỷ lệ lớn nhất được sử dụng để kết hợp hai tín hiệu của bộ
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
thu Rake. Lưu lượng trung bình cho người sử dụng cố định outdoor khoảng 750 kbps với một anten và 1.05 Mbps với anten kép. Lưu lượng trung bình cho người sử dụng di động khoảng 500 kbps với một anten và khoảng 900 kbps với anten kép.
Hệ thống anten kép cho các máy di động cũng được áp dụng cho hệ thống điện thoại khơng dây số của Châu Âu (DECT) đối với kênh vơ tuyến indoor. Hình 3.4 biễu diễn sơ đồ khối của hệ thống. Bộ thu của máy di động anten kép lựa chọn một trong hai tín hiệu của bộ thu dựa trên SINR. Mỗi một bộ thu xử lý một tín hiệu là kết quả của sự kết hợp cân bằng của tín hiệu đến từ anten và tín hiệu được dịch pha đến từ anten cịn lại.
76
thay cho
mức tín hiệu băng tần cơ sở. Vì vậy, giảm độ phức tạp của bộ kết hợp phân tập do chỉ cần một bộ xử lý băng tần cơ sở. Các kết quả mơ phỏng máy tính cho thấy phương pháp này đã cải thiện SIR nhiều hơn 3.8 dB khi so sánh với hệ thống phân tập lựa chọn hai anten truyền thống.
Một đặc điểm chủ yếu của hệ thống tổ ong 3G là tốc độ dữ liệu cao. Đối với tốc độ dữ liệu cao, cần một hệ số trải phổ nhỏ hơn và BER thấp hơn. Do đĩ, cần một cơng suất phát cao hơn tại trạm gốc, điều này làm tăng nhiễu đối với cell. Bằng cách sử dụng kỹ thuật anten thơng minh đối với máy di động, SINR thu được tại máy di động cĩ thể được cải thiện. Do đĩ, trạm gốc phát cơng suất bé hơn đối với máy di động anten thơng minh so với máy di động cĩ một anten.
Hình 3.5 cho thấy hiệu năng BER của hệ thống một anten và một hệ thống anten thơng minh. Như thấy ở trên hình, ưu điểm của một hệ thống anten thơng minh so với hệ thống anten đơn cĩ thể được tận dụng theo hai cách: giảm SINR hay tăng BER. Ưu điểm này làm tăng dung lượng và vùng phủ
77
Hình 3.4 : B di ng anten thơng minh choộ độ
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
sĩng khi BER hay chất lượng của dịch vụ (QoS) là cố định. Trong khi đĩ ưu điểm này cải thiện QoS khi dung lượng được duy trì.
Anten thơng minh tại máy di động cĩ thể được áp dụng cho bất cứ một hệ thống thơng tin cá nhân vơ tuyến nào như hệ thống đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). Hệ thống FDMA hay TDMA cĩ thể tăng dung lượng chỉ khi tất cả các máy di động trong cell được trang bị bởi một anten thơng minh. Lý do là nhân tố gây giới hạn dung lượng đối với hệ thống TDMA và FDMA là hệ số tái sử dụng tần số.
Ngược lại, việc sử dụng một phần máy di động cĩ anten thơng minh vẫn cĩ thể làm tăng dung lượng của hệ thống đối với hệ thống CDMA, vì CDMA là một hệ thống giới hạn nhiễu. Trong trường hợp này, độ lợi tăng dung lượng phụ thuộc vào phần trăm các máy di động sử dụng anten thơng minh.
Hình 3.5: Hệ thống anten thơng minh so với hệ thống một anten [6].
3.3.1. Các lược đồ kết hợp
Chúng ta giới thiệu một hệ thống anten kép được tích hợp vào máy di động được sử dụng trong hệ thống truyền thơng cá nhân vơ tuyến trong đĩ khoảng cách giữa hai anten là 1/4 bước sĩng (3.5 cm). Để nghiên cứu các kết quả hiệu năng của việc sử dụng máy di động cĩ hai anten, các lược đồ phân tập khác nhau được sử dụng.
3.3.1.1. Kết hợp phân tập
Một bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu anten sử dụng lược đồ phân tập kết hợp. ở đây chúng ta xét ba lược đồ kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn (SD), kết hợp độ lợi cân bằng (EGC), và kết hợp tỷ lệ lớn nhất (MRC). Lược đồ SD lựa chọn tín hiệu cĩ cơng suất cao hơn. EGC chỉ cộng hai tín hiệu cĩ trọng số bằng nhau và bằng 0.5. Lược đồ MRC đo các mức tín hiệu và cộng chúng lại theo cơng thức a a b b+ , trong đĩ a và b là đầu ra của hai bộ thu rake hoặc đầu ra của hai rake finger.
Để xử lý các tín hiệu anten kép, cĩ hai mức lược đồ kết hợp được xem xét. Mức lược đồ thứ nhất là kết hợp phân tập mức Rake trong đĩ bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu đầu ra của máy thu rake. Mức thứ hai là kết hợp phân tập mức rake finger trong đĩ bộ kết hợp kết hợp các đầu ra của từng rake finger. Hai lược đồ này được biễu diễn trong hình 3.6. Để đơn giản, chỉ cĩ ba phần tử được mơ tả trong hình.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
(a) kết hợp phân tập mức Rake
(b) Kết hợp phân tập mức bộ phận
Hình 3.6: Kết hợp phân tập
3.3.1.2. Kết hợp tương thích
Để kết hợp mỗi một tín hiệu đa đường từ hai anten, một lược đồ kết hợp tương thích dựa trên thuật tốn N-LMS như giới thiệu trong chương 2 được sử dụng, trong đĩ các trọng số anten đạt được theo đệ quy để làm tối thiểu lỗi bình phương trung bình. Hệ thống anten kép với bộ kết hợp tương thích (AC) được biễu diễn trong hình 3.7
Hình 3.7: Kết hợp tương thích
Thủ tục để đạt được các trọng số anten được giải thích bên dưới. Một trọng số anten mới ( )j ( 1)
m n
ω + của tín hiệu đa đường thứ m trên anten thứ j được tính tốn như sau: 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) * 0, 0, 0, 1 ( 1) ( ) ( ( ) / ( ) ) ( ) j j j j m m m m m j n n y n y n e n ω ω µ = + = + ∑ (3.1) Trong đĩ, ( )j ( ) m n
ω là trọng số anten hiện tại, ( ) 0,j ( )
m
y n là tín hiệu hoa tiêu giải trải phổ của đa đường thứ m trên anten thứ j, μ là kích thước bậc trong khoảng 0 < μ < 2, và e0,m( )n là tín hiệu lỗi. Tín hiệu lỗi e0,m( )n được biễu diễn như
0,m( ) 0,m( )
z n z n
∨
− , với z∨0,m( )n là tín hiệu hoa tiêu tham chiếu của tín hiệu đa đường thứ m và z0,m( )n là tín hiệu hoa tiêu kết hợp. Giả thiết rằng các tín hiệu hoa tiêu từ mỗi một anten được dịch pha và kết hợp một cách lý tư ởng để đạt được tín hiệu hao tiêu tham chiếu như mong muốn. do đĩ, tín hiệu hoa tiêu tham chiếu mong muốn z∨0,m( )n đạt được bằng cách trung bình tín hiệu hoa tiêu giải trải phổ như sau:
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh 1 (1) ( 2) 0, 0, 0 0, ( ( 1) ( 1) ) (1 ) ( ) 2 Q m m l m y n y n i n Q z − = ∨ − + − + = ∑ (3.2)
Với Q là số các ký tự hoa tiêu trung bình và (1+i) là ký tự hoa tiêu được phát như đã biết. tín hiệu hoa tiêu kết hợp z0,m( )n của đa đường thứ m đạt được sử dụng các tín hiệu hoa tiêu ( ),j ( )
k m
y n từ mỗi một anten và các trọng số
anten hiện thời ( )j ( )
m n ω như sau: 2 ( ) ( ) 0, , 1 ( ) j ( ) j *( ) m k m m j z n y n ω n = =∑ (3.3) Sau khi tính tốn được các trọng số anten tín hiệu người sử dụng thứ k giải trải phổ của tín hiệu đa đường thứ m từ mỗi một anten được gán trọng số và kết hợp như sau: 2 ( ) ( ) , , 1 ( ) j ( ) j *( ) k m k m m j z n y n ω n = =∑ (3.4) Với ( ),j ( ) k m
y n là tín hiệu người sử dụng thứ k giải trải phổ của đa đường tín
hiệuứ m trên anten thứ j và ( )j ( )
m n
ω là trọng số anten tính được. Khi đĩ, tín hiệu người sử dụng kết hợp từ mỗi một đa đường zk m, ( )n được kết hợp để rạo ra một đầu ra : , 0, 1 ( ) L ( ) *( ) k k m m m z n z n z n = =∑ (3.5) Với L là số các bộ phận rake. Nếu hệ số trải phổ của tín hiệu người sử dụng thứ k SFk nhỏ hơn hệ số trải phổ của tín hiệu hoa tiêu SFp, tín hiệuì trọng
số anten giống nhau ( )j ( ) m n ω được sử dụng để đạt được p k SF SF ký tự người sử dụng liên tiếp.
Cuối cùng, trọng số anten phải tương thích đủ nhanh để tách pha đinh của tín hiệu nhiễu và tín hiệu mong muốn, nhưng cần phải chậm hơn tốc độ dữ liệu.
3.3.1.3. Kết hợp lai ghép
Bộ kết hợp phân tập (DC) tận dụng phân tập khơng gian giữa các tín hiệu và đạt được hiệu năng cao hơn khi các tín hiệu anten ít tương quan hơn. một bộ kết hợp tương thích (AC) kết hợp các đầu ra bộ phận tương ứng của hai anten với các trọng số thích hợp được tính tốn theo thuật tốn N-LMS. Vì hai lược đồ kết hợp này cĩ những đặc tính bổ sung cũng như đối nghịch nhau, nên người ta đã đưa ra một lược đồ mới để tận dụng những ưu điểm của cả hai lược đồ này. Như cĩ thể thấy trong chương 4, DC và AC cĩ những đặc điẻm khác nhau về SINR và vận tốc di chuyển. Liệu cĩ thể lựa chọn một lược đồ vận hành tốt hơn (giữa DC và AC ) dựa trên mơi trường đang vận hành hiện tại. tuy nhiên, điều này là khơng thể, vì chúng ta khơgn thể ước tính chính xác hiệu năng hay BER của mỗi một lược đồ do tính ước tính khơng chính xác SINR và khĩ khăn trong việc đo vận tốc di động. Để khắc phục vấn đề này, một lược đồ đơn giản nhưng hiệu quả đã được giới thiệu và được gọi là bộ kết hợp lai ghép (HC). HC kết hợp DC và AC sử dụng MRC. Sơ đồ khối của HC được trình bày trong hình 3.8. Vì rất khĩ để tính tốn SNR nên giá trị tín hiệu cộng tạp âm tức thời (S +N) được sử dụng để tính đầu ra của mỗi một bộ kết hợp thay cho SNR của nĩ.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Hình 3.8: Bộ kết hợp lai ghép của hệ thống anten kép
3.3.2. Mơ hình kênh
3.3.2.1. Giới thiệu chung về mơ hình kênhhình kênh hình kênh
Vì mơ hình kênh ảnh hư ởng đến thiết kế bộ thu và hiệu năng của chúng, nên mơ hình hố kênh là rất quan trọng cho việc đánh giá hệ thống anten thơng minh. Trong đường lên của hệ thống 3G, tín hiệu người sử dụng được phát khơng đồng bộ và đi theo các đường khác nhau từ trạm di động đến trạm gốc. Do đĩ, nguồn nhiễu chính là tín hiệu người sử dụng trong cùng một cell (nhiễu nội cell). Tuy nhiên trong đường xuống của hệ thống 3G, tín hiệu từ trạm gốc là sự kết hợp của tất cả các tín hiệu người đang sử dụng và tín hiệu điều khiển chung. Tín hiệu người sử dụng mong muốn và tín hiệu nhiễu đa truy cập trên cùng một đường truyền nhưng chúng trực giao với nhau. vì vậy, sẽ khơng gây ra vấn đề nghiêm trọng tại các máy di động.
Tín hiệu đa đường là tín hiệu nhiễu đối với tín hiệu đa đường khác. Tuy nhiên, một bộ thu rake cĩ thể điều khiển các tín hiệu đa đường để cĩ thể cải thiện chất lượng tín hiệu thu. Một nguồn nhiễu khác trong đường xuống đến từ các cell lân cận (nhiễu ngồi cell), nhiễu này ảnh hư ởng nghiêm trọng đến
hiệu năng. Trường hợp này trở thành hiển nhiên khi xảy ra chuyển giao mềm. Vì số lượng các trạm gốc lân cận và số lượng các tín hiệu nhiễu từ các trạm này nhỏ, hệ thống anten kép thích hợp để loại bỏ những nhiễu này. cĩ thể thấy rằng một bộ thu với L anten cĩ thể loại bỏ L-1 tín hiệu nhiễu.
Trong một mơ hình kênh vơ tuyến, cĩ ba thành phần được xem xét trong việc biến đổi mức tín hiệu thu. Đĩ là tổn hao đường truyền trung bình, pha đinh logarit chuẩn (hay cịn gọi là pha đinh chậm), và pha đinh Rayleigh (hay cịn gọi là pha đinh nhanh)như cĩ thể thấy trong hình 3.9.
Cả hai mơ hình theo phép đo và mơ hình lý thuyết đều cho thấy mức tín hiệu thu giảm theo hàm logarit khi khoảng cách lớn dần ( đây chính là tổn hao đường truyền trung bình). Sự khác nhau trong tổn hao đường truyền tại các vị trí khác nhau với cùng một khoảng cách thu phát như nhau được mơ hình hố theo một biến ngẫu nhiên logarit chuẩn ( được gọi là pha đinh logarit chuẩn).
Phản xạ do cĩ nhiều bộ tán xạ xung quanh bộ thu làm tín hiệu thu biến đổi theo thời gian, trong đĩ đường bao của một tín hiệu đa đường theo phân phối Rayleigh (đây gọi là pha đinh Rayleigh). Một mơ hình kênh cũng cần phải xem xét ba trải sau:
i) trải trễ do đường truyền đa đường
ii) trải Doppler do di chuyển của máy di động
iii) trải gĩc do phân bố các scatter.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương IV.Đánh giá hiệu năng của anten thơng minh
Hình 3.9: Biến thiên mức tín hiệu thu
Dựa trên mơ hình băng hẹp cho tín hiệu thu bởi dàn anten, trễ thời gian nhỏ giữa hai anten cĩ thể được xem đơn thuần là dịch pha. Xét trường hợp tín hiệu r(t) đến tại dàn anten tuyến tính như trong hình 3.10. Khi đĩ, các tín hiệu thu, x1(t) và x2(t), tại hai anten kề nhau, cĩ một độ khác pha. Nếu tín hiệu đến dàn anten với gĩc đến (ố), thì khác pha giữa hai tín hiệu thu là 2πdsinθ λ, d là khoảng cách giữa phân tử anten, ở là độ dài bước sĩng mang, và ố là gĩc