truyền dẫn đa tốc độ
2.2.4.1 Kiểm soát lỗi
Có hai ph−ơng pháp để sửa lỗi là: mã hóa kênh ( sửa lỗi thuận-FEC) và yêu cầu phát lại tự động (ARQ). Trong W-CDMA, sử dụng ph−ơng pháp mã hóa kênh (FEC) do có băng thông rộng nhờ quá trình trải phổ tín hiệu bằng các mã ngẫu nhiên, việc sử dụng ph−ơng pháp này có thể làm tăng thêm độ lợi xử lý (so với độ lợi xử lý sau khi trải phổ ). Có ba loại mã kiểm soát lỗi đ−ợc sử dụng trong W-CDMA là : mã khối tuyến tính hay cụ thể là mã CRC, mã xoắn và mã turbo. Trong đó mã CRC đ−ợc sử dụng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại đ−ợc sử dụng để sửa lỗi (mã hóa kênh). Trong phần này ta sẽ xét nguyên lý cơ bản của các loại mã trên và các ứng dụng của chúng trong W-CDMA.
(1) C á c m∙ k i ể m t r a b í t d− t h e o c h u k ỳ ( C R C )
Hệ thống W-CDMA sử dụng mã CRC để chỉ thị chất l−ợng của mỗi khung đã phát (trong đó chứa một khối bít thông tin). CRC là một trong số các mã khối phổ biến nhất. Đối với CRC, các bít thông tin đ−ợc xử lý nh− một số nhị phân dài. Số này đ−ợc chia bởi một số nguyên tố duy nhất cũng là số nhị phân và phần d− đ−ợc nối vào các bít thông tin nh− các bít d−. Khi thu đ−ợc một khung, máy thu thực hiện cùng một phép chia sử dụng cùng một −ớc số nguyên tố và so sánh số d− thu đ−ợc với số d− đã nhận đ−ợc trong khung. Ví dụ, sử dụng −ớc số nguyên tố là (1, 0, 1, 1). Ph−ơng pháp này có thể đ−ợc hiểu rõ ràng hơn nếu chúng ta biểu diễn các bít nhị phân ( hoặc một số nhị phân ) d−ới dạng đa thức. Ví dụ, các bít nhị phân hoặc số (1, 0, 1, 1) có thể đ−ợc biểu diễn bởi đa thức:
g(x) = x3 + x + 1
trong đó mỗi số hạng trong đa thức t−ơng ứng với mỗi bít trong số nhị phân. Đa thức g(x) là một đa thức nguyên tố.
Giả sử chúng ta cần tạo ra một mã khối CRC (n, k) cụ thể là mã ( 7,4 ) tức là k= 4 hay từ bản tin bốn bít (ví dụ: 1, 0, 1, 0) ta cần tạo ra một từ mã n = 7 bít trong đó có 4
bít tin đã cho và ba bít thêm vào ( bít d−). Để thực hiện việc này, tr−ớc hết chúng ta chuyển đổi bản tin thành dạng đa thức của nó; tức là:
m(x) = x3+ x
Sau đó, chúng ta dịch bản tin đi (n- k) vị trí. Điều này có thể đ−ợc thực hiện rất dễ dàng d−ới dạng đa thức bằng cách nhân đa thức của bản tin m (x) với xn-k. Trong tr−ờng hợp này, (n - k) = (7 - 4) = 3, nh− vậy chúng ta nhân m (x) với x3:
x3m(x) = x6 + x4
L−u ý rằng đa thức này t−ơng ứng với (1, 0, 1, 0, 0, 0, 0).
Các bít d− có thể thu đ−ợc bằng việc chia x3m (x) cho g(x), hoặc:
x6 + x4 = (x3 + 1)(x3 + x + 1) + (x + 1)
trong đó (x6 + x4) là x3m(x), (x3 + 1) là th−ơng số, (x3 + x + 1) là đa thức sinh g(x) và (x + 1) là số d−. Đa thức d− (x + 1) biểu diễn các bít d− để nối thêm vào bản tin (các bít d− t−ơng ứng với đa thức d− này là: 0, 1, 1) và chúng ta có từ mã CRC là 1010011. Nh− vậy, số bít d− thêm vào bản tin sẽ bằng số mũ cao nhất của đa thức sinh.
Trong hệ thống W-CDMA, các đa thức sinh có thể đ−ợc sử dụng là:
gCRC24(x) =x24+x23+x6+x5 +x+1
gCRC16(x) =x16+x12+x5 +1
gCRC12(x) =x12+x11+x3+x2 +x+1
gCRC8(x) =x8+x7+x4+x3 +x+1
Các đa thức sinh này đ−ợc áp dụng riêng với mỗi khung số liệu tốc độ khác nhau.
(2) Các m∙ xoắn
Các mã khối đ−ợc gọi là các mã không có sự ghi nhớ, với ý nghĩa là từ mã hoặc các bít d− thêm vào chỉ là một hàm của khối bít hiện tại. Trái lại, các mã xoắn hoạt động có sự ghi nhớ. Đối với các mã xoắn, các bít sau khi mã hoá là các hàm của các bít thông tin và các hàm của độ dài giới hạn (constraint length). Đặc biệt, mỗi bít sau khi mã hoá ( tại đầu ra của bộ mã hoá xoắn) là một tổ hợp tuyến tính của một số bít thông tin tr−ớc đó. Đ−ờng truyền xuống (trạm gốc tới máy di động) trong W-CDMA
sử dụng mã xoắn tỷ lệ 1/2 ( một bít đầu vào cho ra hai bít đầu ra) và độ dài giới hạn K = 9. Hình 2.12 trình bày sơ đồ mã hoá xoắn cho đ−ờng truyền xuống.
Ban đầu, tất cả các thanh ghi có giá trị là 0. Khi các bít bản tin mi đ−ợc đ−a vào từ bên trái, các bít đ−ợc rẽ nhánh ở các tầng khác nhau và đ−ợc cộng lại ở bộ cộng mô đun hai. Giá trị của tổng là giá trị đầu ra của bộ mã hoá xoắn. L−u ý rằng do đây là một bộ mã hoá xoắn tỷ lệ 1/2 nên hai bít đ−ợc tạo ra đối với mỗi chu kỳ xung nhịp. Một chuyển mạch đảo trạng thái sẽ thay đổi trạng thái trên cả hai điểm đầu ra đối với mỗi chu kỳ xung nhịp đầu vào, do đó, tốc độ đầu ra gấp hai lần tốc độ đầu vào. Đa thức sinh cho hai bít đầu ra y'i và y"i (đ−ợc trình bày trong hình 2.12 ) cũng có thể đ−ợc viết là:
g’(x) = x8+x7+x5+x3+x2+x+1
g’’(x) = x8+ x4+ x3 + x2 + 1
Hệ thống W- CDMA sử dụng một hệ thống mã hoá xoắn khác trên đ−ờng truyền lên ( máy di động tới trạm gốc). Vì máy di động có một công suất phát hạn chế nên đôi khi đ−ờng truyền lên có thể là đ−ờng truyền bị giới hạn. Do vậy, một mã xoắn hiệu suất cao hơn có tỷ lệ 1/3 và độ dài giới hạn K= 9 đ−ợc sử dụng. Trong tr−ờng hợp này, ba bít đ−ợc tạo ra đối với mỗi bít đầu vào và tốc độ đầu ra gấp ba lần tốc độ đầu vào. Hình 2.13 trình bày sơ đồ mã hoá xoắn cho đ−ờng truyền về .
Hình 2.12 Mã hoá xoắn trong hệ thống W- CDMA ( đ−ờng truyền xuống ) Bộ cộng mô đun 2
Hình 2.13 Mã hoá xoắn trong hệ thống W-CDMA ( đ−ờng truyền lên )
Để tham chiếu, đa thức sinh cho ba bít đầu ra y'i , y"i, và y"'i là:
g'(x) = x8+x7+x6+x5+x3+x2+1
g"(x) = x8+x7+x4 +x3+x+1
g"'(x) = x8+x5+x2+x+1
(3) M∙ Turbo
Hình 2.14 trình bày một ví dụ về cấu hình của một bộ mã hoá và giải mã Turbo. Bộ mã hoá Turbo bao gồm hai bộ mã hoá xoắn theo ph−ơng pháp đệ qui RSC1 và RSC2 và một bộ đan xen Turbo bên trong bộ mã hoá Turbo. Máy thu sẽ đ−a vào bộ giải mã Turbo (tái tạo) các kênh đã đan xen đến từ đầu ra của bộ thu RAKE quyết định mềm (y1, y2, y3). Trong thuật toán giải mã lặp của bộ giải mã Turbo thì bộ giải mã 1 sẽ tính toán thông tin ra Le theo y1 , y2 và Le phản hồi. Tiếp theo, bộ giải mã 2 sẽ xác định thông tin ra L theo y1, y3 và Le đồng thời phản hồi Le về bộ giải mã 1 để lặp lại quá trình trên. Sau m phép lặp, chuỗi số liệu phát sẽ đ−ợc khôi phục bởi một ng−ỡng quyết định (quyết định cứng) theo tỷ lệ lôga gần đúng (LLR) L(bk). LLR cho ra bít giải mã bk. L(bk) đ−ợc biểu diễn bởi ph−ơng trình sau:
L(bk) = ln [P (bk= +1)/ P(bk = -1)]
Trong ph−ơng trình này, P (bk= +1) và P(bk = -1) là các xuất t−ơng ứng để bk= +1 và bk = -1 . Trong W-CDMA, mã hoá kênh sử dụng mã xoắn cho truyền số liệu tốc độ
Bộ cộng mô đun 2 Bộ cộng mô đun 2 Bộ cộng mô đun 2
thấp và tín hiệu thoại còn mã turbo đ−ợc sử dụng cho truyền số liệu tốc độ cao 64 kbit/s hoặc 384 kbit/s .
Hình 2.14 Cấu hình của bộ mã hoá Turbo
(4) ARQ
Trong ph−ơng pháp truyền l−u l−ợng số liệu chuyển mạch gói, kiểm soát lỗi đặc biệt bởi ARQ là một điều kiện tiên quyết vì cần phải đảm bảo truyền không có lỗi. Ngoài ra, nó cần phải đ−ợc sử dụng kết hợp với một FEC ( giải mã sửa lỗi bằng FEC tr−ớc khi phát hiện lỗi bằng ARQ). Hình 2.16 minh hoạ nguyên lý của ARQ lai ghép. ARQ đ−ợc sử dụng trong điều khiển đ−ờng truyền vô tuyến (RLC) theo 3GPP là ARQ lai ghép dạng cơ bản I ( một kỹ thuật truyền lại mà trong đó số liệu của các gói đ−ợc phát lại là giống nh− gói gốc). Tại điểm phát, ARQ dạng cơ bản I áp dụng mã hoá phát hiện lỗi và FEC với chuỗi tín hiệu tin tức để phát. Tại điểm thu, gói tin thu sẽ đ−ợc giải mã sửa lỗi, sau khi các lỗi đ−ợc phát hiện bởi các mã phát hiện lỗi. Nếu tìm thấy bất cứ lỗi nào, gói tin có lỗi sẽ bị bỏ đi và yêu cầu truyền lại đ−ợc phản hồi tới máy phát. Quá trình này đ−ợc lặp lại đến khi không phát hiện đ−ợc lỗi nào nữa và nó tạo ra khả năng truyền không có lỗi. Theo cách này, ARQ dạng cơ bản I sử dụng FEC kết hợp với ARQ để thực hiện giải mã sửa lỗi −u tiên cho phát hiện lỗi, nhờ đó có thể giảm tỷ lệ lỗi gói tin và cải thiện các đặc tính truyền dẫn.
2.2.4.2 Phối hợp tốc độ
Phối hợp tốc độ có nghĩa là lặp hoặc chích bỏ các ký hiệu ở kênh truyền tải (TrCH) để đạt đ−ợc tốc độ ký hiệu nh− nhau cho các kênh có tốc độ bít khác nhau ở các cấu hình vô tuyến khác nhau. Lớp cao hơn (trong cấu trúc giao thức) sẽ ấn định thuộc tính phối hợp tốc độ cho từng kênh truyền tải. Thuộc tính này là bán cố định và
Đan xen
Giải đan xen
Giải đan xen
Đan xen Giải mã
Bộ mã hoá Turbo Bộ giải mã Turbo
Sau m t−ơng tác Giải mã
chỉ có thể thay đổi theo thông báo của lớp cao. Thuộc tính phối hợp tốc độ đ−ợc sử dụng để tính số bít cần lặp hoặc trích bỏ.
Trong W-CDMA, ta sẽ xét quá trình trích bỏ đối với mã Turbo để làm ví dụ cho phối hợp tốc độ. Trích bỏ để phối hợp tốc độ áp dụng riêng rẽ cho y và y’. Trích bỏ không áp dụng cho x nên cần tách riêng các chuỗi bit x, y và y’. Chức năng phân tách bít sẽ trong suốt đối với các TrCH không đ−ợc mã hóa, các kênh TrCH mã hóa xoắn và các kênh mã hóa Turbo đ−ợc lặp. Quá trình phân tách bít và thu thập đ−ợc minh họa ở hình 2.15.
Hình 2.15 Trích bỏ các kênh TrCH đ−ợc mã hóa Turbo
2.2.4.3 TPC nhanh dựa trên phép đo SIR
(1) Tác dụng của điều chỉnh ( điều khiển) công suất phát
Việc điều chỉnh công suất là rất cần thiết để một hệ thống W-CDMA hoạt động tốt vì tất cả các thuê bao W-CDMA đều chia sẻ cùng một băng tần vô tuyến nhờ việc sử dụng các mã tạp âm giả ngẫu nhiên và do đó mỗi thuê bao đ−ợc xem nh− tạp âm ngẫu nhiên đối với các thuê bao khác. Quá trình điều chỉnh công suất đ−ợc thực hiện để giải quyết bài toán "xa-gần" và để tăng tối đa dung l−ợng. Điều chỉnh công suất tức là công suất phát từ mỗi thuê bao đ−ợc điều chỉnh để sao cho công suất thu của mọi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau ( nếu không kể đến các loại tạp âm khác mà chỉ xét đến suy hao truyền lan vô tuyến thì quá trình điều chỉnh công suất sẽ điều chỉnh để thuê bao ở xa trạm gốc sẽ phát công suất lớn hơn thuê bao ở gần trạm gốc).
Mã hóa kênh r = 1/3
Phân tách
bit Thuật toán phối
hợp tốc độ x y y’ …111110101… …11x11010x… …11x11010x…
(2) Điều chỉnh công suất trên đ−ờng truyền về
(a) Thăm dò truy nhập
Một vấn đề cần phải giải quyết ngay trong việc điều chỉnh công suất đó là công suất phát ban đầu của máy di động. Tr−ớc khi máy di động thiết lập liên hệ với trạm gốc, máy di động không thể đ−ợc điều chỉnh công suất bởi trạm gốc. Nh− vậy, câu hỏi đặt ra là khi máy di động mới bắt đầu thử truy nhập vào trạm gốc thì mức công suất nào máy di động nên sử dụng để phát yêu cầu của nó ? ở thời điểm này, trạm gốc vẫn ch−a tạo ra sự liên lạc với thuê bao di động và trạm gốc không biết vị trí của thuê bao di động. Có hai lựa chọn: lựa chọn thứ nhất là máy di động có thể thử truy nhập tới trạm gốc với một công suất cao. Công suất cao nh− vậy sẽ làm tăng khả năng trạm gốc thu đ−ợc yêu cầu truy nhập của máy di động. Tuy nhiên, nh−ợc điểm của việc phát công suất khởi đầu cao đó là công suất này sẽ gây nhiễu tới các thuê bao khác hiện đang đ−ợc quản lý trong ô. Lựa chọn thứ hai là máy di động có thể yêu cầu truy nhập trạm gốc với một công suất phát thấp. Công suất thấp nh− vậy sẽ làm giảm khả năng trạm gốc thu đ−ợc yêu cầu truy nhập của máy di động. Nh−ng −u điểm là máy di động này sẽ không gây nhiễu nhiều tới các thuê bao khác. Giải pháp đ−ợc chọn là khi máy di động mới bắt đầu thử truy nhập hệ thống nó phát một chuỗi các thăm dò truy nhập.
Các thăm dò truy nhập là một chuỗi mức công suất phát tăng dần. Máy di động phát thăm dò truy nhập đầu tiên của nó ở một mức công suất t−ơng đối thấp, sau đó nó đợi một đáp ứng phản hồi từ trạm gốc. Nếu sau một khoảng thời gian tuỳ ý máy di động không thu đ−ợc một bản tin xác nhận từ trạm gốc thì máy di động phát thăm dò truy nhập thứ hai với một công suất hơi cao hơn. Quá trình này sẽ lặp lại cho đến khi máy di động thu đ−ợc bản tin xác nhận phản hồi từ trạm gốc. Ngoài ra, máy di động còn sử dụng mức công suất nó thu đ−ợc từ trạm gốc để −ớc tính công suất ban đầu của nó. Nói cách khác, nếu máy di động nhận đ−ợc một tín hiệu mạnh từ trạm gốc thì nó cho rằng trạm gốc ở gần và nh− vậy nó sẽ phát khởi đầu với một mức công suất t−ơng đối thấp. Nếu máy di động nhận đ−ợc một tín hiệu yếu từ trạm gốc thì nó cho rằng trạm gốc ở xa và nh− vậy nó sẽ phát khởi đầu với một mức công suất t−ơng đối cao.
(b) Vòng điều khiển mở
Quá trình đã mô tả ở trên đ−ợc gọi là quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở, đó chỉ là một quá trình hoạt động điều khiển máy di động và không liên quan gì đến trạm gốc. Quá trình điều khiển theo vòng mở này diễn ra liên tục sau khi trạm gốc xác nhận yêu cầu truy nhập của máy di động và sau khi máy di động bắt đầu phát trên một kênh l−u l−ợng.
Sau khi một cuộc gọi đ−ợc thiết lập và khi máy di động di chuyển trong phạm vi ô, suy hao đ−ờng truyền giữa máy di động và trạm gốc sẽ liên tục thay đổi. Kết quả là công suất thu tại máy di động sẽ thay đổi và hoạt động điều chỉnh công suất theo vòng mở sẽ liên tục giám sát công suất thu của máy di động pr và sẽ tiếp tục điều chỉnh công suất phát của máy di động.
Một chú ý quan trọng là quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở nh− đã mô tả ở trên dựa trên sự −ớc tính suy hao đ−ờng truyền đi. Quá trình điều chỉnh công suất này đ−ợc sử dụng để bù cho những thay đổi chậm và các ảnh h−ởng của hiệu ứng che chắn (log-normal), trong đó có một sự t−ơng quan giữa các suy hao trên đ−ờng truyền đi và đ−ờng truyền về. Tuy nhiên, do các đ−ờng truyền đi và về th−ờng sử dụng các tần số khác nhau (FDD), quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở là không đủ và quá chậm để bù cho hiện t−ợng pha đinh Rayleigh nhanh. L−u ý rằng hiện t−ợng pha đinh Rayleigh nhanh là phụ thuộc vào tần số và xảy ra trên mỗi khoảng nửa b−ớc sóng. Nói cách khác, do hiện t−ợng pha đinh Rayleigh nhanh là phụ thuộc vào tần số, chúng ta không thể sử dụng quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở ( trong đó giả thiết suy hao trên đ−ờng truyền h−ớng đi bằng với suy hao đ−ờng truyền h−ớng về ) để bù cho hiện t−ợng pha đinh Rayleigh nhanh.
(c) Vòng điều khiển khép kín
Quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín đ−ợc sử dụng để bù cho những dao động về công suất do hiện t−ợng pha đinh Rayleigh nhanh. Nó là một vòng điều khiển khép kín trong đó liên quan đến cả trạm gốc và máy di dộng. Mỗi khi máy di động chiếm một kênh l−u l−ợng và bắt đầu thông tin với trạm gốc, quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín sẽ hoạt động cùng với quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở. Trong quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép,
trạm gốc liên tục giám sát đ−ờng truyền về và đo chất l−ợng đ−ờng truyền. Nếu chất l−ợng đ−ờng truyền nhận đ−ợc xấu thì trạm gốc sẽ ra lệnh cho máy di động,