Hình 2.3: Các kênh vật lý đường lên
a.Kênh vật lý riêng đường lên
Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH) và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH).
- Kênh số liệu vật lý dành riêng (DPDCH): truyền dữ liệu người dùng giữa thiết bị di động và trạm gốc, tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay đổi theo khung. Thông thường đối với các dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu của kênh DPDCH được thông báo trên kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục và thông tin về tốc độ trường được phát bằng với chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI), là thông tin DPCCH về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành. Nếu giải mã TCFI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Tuy nhiên độ tin cậy của TCFI cao hơn số liệu nên ít khi xảy ra mất TCFI.
- Kênh điều khiển vật lý (DPCCH): Kênh điều khiển vật lý đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển lớp vật lý. Thông tin này gồm : các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách sóng nhất quán, các lệnh điều khiển công suất (TCP : Transmit Control Power), thông tin hồi tiếp (FBI : Feedback Information) và một chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI).
b. Kênh vật lý chung đường lên
• Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH: Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH.
- Phát RACH: Phát truy nhập ngẫu nhiên dựa vào phương pháp ALOHA theo phân khe với chỉ thị bắt nhanh.
- Phần tiền tố của RACH: Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256 lần lặp một chữ ký.
- Phần bản tin của RACH: Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành 15 khe.
Kênh gói chung PCPCH
Kênh gói chung vật lý được sử dụng để mang CPCH. PCPCH thực chất là sự mở rộng của RACH. Sự khác nhau cơ bản so với RACH là kênh này có thể dành trước nhiều khung và có sử dụng điều khiển công suất.
- Phát CPCH: Phát CPCH dựa trên nguyên tắc DSMA – CD (DSMA – Collision Detection) với chỉ thị bắt nhanh.
- Phần tiền tố truy nhập CPCH: Phần tiền tố truy nhập ngẫu nhiên CPCH tương tự như của RACH. Số chuỗi được sử dụng ở đây có thể nhỏ hơn số chuỗi được sử dụng ở tiền tố RACH.
- Phần tiền tố phát hiện tranh chấp: Phần này giống như phần tiền tố RACH. - Phần tiền tố điều khiển công suất: Là các tiền tố điều khiển công suất có độ dài lấy giá trị từ 0 đến 8 khe được thiết lập bởi các bit cao.
- Phần bản tin CPCH: Gồm các khung bản tin 10ms, số khung bản tin này do lớp cao hơn quy định.
Hình 2.4: Các kênh vật lý đường xuống
a.Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH)
Kênh riêng đường xuống được tạo bởi lớp hai và các lớp trên.
b.Kênh vật lý chung đường xuống
- Kênh hoa tiêu chung (CPICH).
Là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định để mang chuỗi bit/ký hiệu đã được định nghĩa trước.
Có hai kiểu kênh hoa tiêu chung là kênh hoa tiêu chung sơ cấp và kênh hoa tiêu chung thứ cấp, phân biệt về lĩnh vực sử dụng và các hạn chế đối với tính năng vật lý của chúng.
+ Kênh hoa tiêu chung sơ cấp : Được ngẫu nhiên hóa bởi mã ngẫu nhiên sơ cấp và luôn được sử dụng cùng một mã định kênh. Mỗi ô có một kênh và chúng được phát quảng bá trên toàn bộ ô.
+ Kênh hoa tiêu chung thứ cấp : Mã ngẫu nhiên hóa có thể là sơ cấp hoặc thứ cấp và sử dụng mã định kênh tuỳ ý. Một ô có thể không có hoặc có nhiều kênh. Chúng chỉ được phát trong một phần ô.
- Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp (P-CCPCH)
Là kênh vật lý đường xuống có tốc độ cố định (30 kbit/s) đưọc sử dụng để mang BCH.
- Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp (S-CCPCH)
Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp sử dụng để mang thông tin FACH và PCH. Có hai kiểu kênh S-CCPCH là kiểu có mang TFCI và kiểu không mang TFCI.
• Kênh đồng bộ (SCH)
Kênh đồng bộ là kênh mang tín hiệu tìm ô ở đường xuống. SCH gồm hai kênh con là SCH sơ cấp và SCH thứ cấp.
• Kênh chỉ thị bắt (AICH)
Kênh chỉ thị bắt được sử dụng để mang thông tin chỉ thị bắt. Chỉ thị bắt AIs
tương ứng với một chữ ký s trên kênh PRACH hoặc PCPCH.
• Kênh chỉ thị tìm gọi (PICH)
Kênh chỉ thị tìm gọi là kênh vật lý có tốc độ cố định được sử dụng để mang các chỉ thị tìm gọi (PI).
2.4.2. Các kênh truyền tải
Các kênh truyền tải là các kênh truyền thông sử dụng một hoặc nhiều kênh vật lý theo một cách riêng (như các mã kênh riêng) để truyền thông tin. Các kênh truyền tải xác định rõ bao nhiêu, khi nào, và các kênh vật lý nào được sử dụng.
Có hai kiểu kênh truyền tải: Các kênh riêng và các kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là: Kênh chung, tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm người sử dụng trong cell, còn tài nguyên kênh riêng được ấn định bởi một mã và một tần số nhất định để dành riêng cho một người sử dụng duy nhất.
a.Kênh truyền tải riêng:
Kênh truyền tải riêng duy nhất là kênh riêng (DCH – Dedicated Channel). Kênh truyền tải riêng mang thông tin từ các lớp trên lớp vật lý riêng cho một người sử dụng, bao gồm số liệu cho dịch vụ hiện thời cũng như thông tin điều khiển lớp cao.
. Kênh truyền tải riêng có các tính năng đặc trưng sau : - Điều khiển công suất nhanh theo từng khung.
- Thay đổi tốc độ số liệu theo từng khung và khả năng phát đến một phần ô hay một đoạn ô bằng cách thay đổi hướng anten của hệ thống anten thích ứng.
- Hỗ trợ chuyển giao mềm.
- Kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH – Random Access Channel): là kênh truyền tải đường lên, mang thông tin điều khiển từ thiết bị di động, như yêu cầu thiết lập một kết nối.
- Kênh gói chung (CPCH – Common Packet Channel): là kênh truyền tải đường lên, dùng để gửi các gói dữ liệu từ thiết bị di động đến trạm gốc. CPCH được sử dụng cho các gói quá lớn để gửi trực tiếp trên RACH. CPCH có cả điều khiển công suất RF làm cho nó thích hợp để gửi một lượng lớn các gói tin với một mức nhiễu tối thiểu đến các thuê bao khác.
- Kênh truy cập đường xuống (FACH – Forward Access Channel): mang thông tin điều khiển và số liệu đến các thiết bị di động đã đăng ký với hệ thống.
- Kênh đường xuống dùng chung (DSCH – Downlink Shared Channel): là một kênh đường xuống sử dụng một hệ thống lập biểu gói để ấn định động các khe thời gian cho các thuê bao riêng có các gói truyền hoặc nhận.
- Kênh dùng chung đường lên (USCH – Uplink Shared Channel): Kênh dùng chung đường lên và kênh đường lên ở hệ thống W-CDMA cho phép nhiều thiết bị thuê bao gửi số liệu điều khiển hay số liệu thuê bao trên một kênh dùng chung.
- Kênh quảng bá (BCH – Broadcast Channel): để truyền liên tục thông tin hệ thống và thông tin truy nhập đến các thiết bị di động đang hoạt động trong vùng phủ của nó. Mỗi trạm gốc phải có một kênh quảng bá. Kênh quảng bá được phát liên tục và nó cho phép các thiết bị di động đo và kiểm tra cường độ tín hiệu từ các kênh quảng bá khác nhau, từ đó xác định cell sites nào là thích hợp để truyền thông tin.
- Kênh tìm gọi (PCH – Paging Channel): là một kênh truyền tải đường xuống, nó mang số liệu liên quan đến thủ tục tìm gọi( báo hiệu có một cuộc gọi đến hay yêu cầu cho một phiên truyền thông ).
- Kênh đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH – High Speed Downlink Shared Channel): cho phép nhiều thiết bị cùng chia sẻ một kênh thông tin tốc độ cao thông qua việc chỉ định các mã riêng trong các bộ mã kênh.
2.4.3. Các kênh logic
Các kênh logic là một phần của kênh truyền thông vật lý, được dùng cho một mục đích đặc biệt. Hệ thống W-CDMA định nghĩa các kênh logic liên quan với các kênh vật lý.
- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH). - Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH). - Kênh điều khiển chung (CCCH). - Kênh điều khiển riêng (DCCH).
- Kênh điều khiển dùng chung (SHCCH). - Kênh truyền tải riêng (DTCH).
- Kênh truyền tải chung (CTCH)
2.4.4. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải
Hình 2.5: Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải
CCCH DCCHDTCH PCCH BCCH CCCH DCCHDTCH RACH CPCH DCH PRACH DCPCH DPDCH DPCCH PCH BCH FACH DSCH DCH CTCH S-CCPCH P-CCPCH PDSCH DPDCH DPCCH Các kênh lôgic
Các kênh truyền tải
Các kênh vật lý
2.4.5. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
Trong quá trình truyền dẫn thông tin, các kênh truyền tải được đặt lên các kênh vật lý thể hiện ở sơ đồ sau :
Hình 2.6: Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CHUYỂN GIAO TRONG W-CDMA
Trong W-CDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp DS với tốc độ chip là 3.84 Mcps.
3.1.1. Các hệ thống thông tin trải phổ
Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là 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.
Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (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. Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.
Hình 3.1: Tín hiệu trải phổ
• Các tính năng quan trọng nhất của điều chế trải phổ là :
+ Chống lại các nhiễu, đây là một tính năng quan trọng cho thông tin ở các vùng bị ứ nghẽn như ở các thành phố.
+ Có khả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia gây trở ngại rất lớn trong thông tin đô thị.
+ Có khả năng dùng chung băng tần với người sử dụng khác nhờ các đặc trưng tín hiệu giống tạp âm của nó.
+ Đảm bảo mức độ tư hữu nhất định nhờ sử dụng các mã trải phổ giải ngẫu nhiên nên khó bắt trộm tín hiệu.
• Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu:
- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin (hình 3.1).
- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.
• Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:
+ Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum). Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip Rc cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit Rb của luồng số liệu cần phát.
+ Trải phổ kiểu nhảy tần (FH/SS: Frequency Hopping Spreading Spectrum). Nguyên tắc của trải phổ nhảy tần là điều chế gián tiếp tín hiệu số vào mã trải phổ (sóng mang có tần số thay đổi theo mã trải phổ sẽ được điều chế với tín hiệu thông tin cần truyền).
+ Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum).Trong hệ thống THSS một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong 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 trong mỗi khung.
Ngoài ra cũng có thể tổng hợp các hệ thống trên thành hệ thống lai ghép.
Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát.
Trong hệ thống DS/SS tất cả 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 ra tín hiệu mong muốn bằng cách nén phổ. Trong các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy, FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình.
Trong W-CDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Vì vậy, trong phần này ta chỉ xét đến kỹ thuật trải phổ DS/SS. Ngoài kiểu điều chế BPSK, người ta còn sử dụng các kiểu điều chế khác như QPSK hoặc MSK trong các hệ thống SS.
3.1.2. Các hệ thống DS/SS-BPSK 3.1.2.1 Máy phát DS/SS – BPSK 3.1.2.1 Máy phát DS/SS – BPSK
Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 b(t)= b pT(t kT) k k − ∑∞ −∞ = (3.1) Trong đó:
bk = ±1 là bit số liệu thứ k với +1 tương ứng với bit “0” và –1 tương ứng với bit “1”;
T là độ rộng xung (độ rộng của một bit số liệu). Tốc độ số liệu là R = 1/T bit/s.
Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được b(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS-BPSK (hình 3.2) xác định theo công thức:
s(t)=Ab(t)c(t)cos(2πfct + θ) (3.2) Trong đó: A là biên độ;
fc là tần số sóng mang; θ là pha của sóng mang.
Trong rất nhiều ứng dụng một bit bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là T = NTc.
Nguyễn Thị Minh Trang Lớp 46K - ĐTVT
Bộ điều chế (BPSK) Bản tin cơ số hai b(t)
b(t)c(t)
Tín hiệu PN cơ số Sóng mang
Tín hiệu DS/SS-BPSK
s(t)=Ab(t)c(t)cos(2πfct + θ
t) ))))θ) Acos(2πfct + θ
Trong trường hợp hình 3.2 ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của b(t)c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ ±1, có cùng tần số với tín hiệu PN.
3.1.2.2.Máy thu DS/SS – BPSK t t t t 2NTc NTc Tc 2NTc NTc Tc 2NTc NTc Tc 3T 2T T 0 A -A s (t) -1 1 b(t)c(t) -1 c(t) 1 b(t) -1 1 Một chu kỳ Giả thiết là N=7; T= NTc Ởhình này sóng mang có θ = -π/2 và fc=1/Tc Hình 3.3: Các dạng sóng ở hệ thống DS/SS-BPSK
Sơ đồ khối máy thu DS/SS-BPSK
Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin b(t) từ tín hiệu thu được bao gồm
tín hiệu được phát cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ tuyền lan τ nên tín hiệu thu được là:
s(t-τ)+n(t)=ABb(t-τ)c(t-τ)cos[2πfc(t-τ)+ θ] + n(t) (3.3)
trong đó: n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Để giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không có tạp âm. Trước hết tín hiệu thu được nén phổ để giảm băng tần rộng thành băng tần hẹp. Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Để nén, phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu đồng bộ PN c(t-τ) được tạo ra ở máy thu, ta được:
w(t) = ABb(t-τ)c2(t-τ)cos(2πfc + θ’) = ABb(t-τ)cos(2πfc + θ’) (3.4)
Vì c(t) bằng ±1, trong đó θ’= θ - 2πfcτ. Tín hiệu nhận được là một tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần giữa hai giá trị “0” là 2/T. Để giải điều chế ta giả thiết