Trong các hệ thống điều chế băng hẹp nh− hệ thống FM t−ơng tự đã sử dụng trong hệ thống di động thế hệ thứ nhất thì hiện t−ợng truyền lan đa đ−ờng ( nhiều tia sóng truyền theo các đ−ờng khác nhau, hiện t−ợng này còn đ−ợc gọi là hiện t−ợng truyền lan nhiều tia) gây ra nhiều hiện t−ợng pha đinh nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của pha đinh nhiều tia đ−ợc giảm đi trong điều chế băng rộng W-CDMA vì các tín hiệu truyền qua các đ−ờng khác nhau đ−ợc thu nhận một cách độc lập. Nh−ng hiện t−ợng pha đinh vẫn th−ờng xảy ra trong hệ thống này do không thể loại bỏ hoàn toàn đ−ợc hiện t−ợng pha đinh nhiều tia, vì khi hiện t−ợng pha đinh nhiều tia th−ờng xuyên xảy ra thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập. Phân tập là một biện pháp tốt để làm giảm pha đinh, có ba loại phân tập là phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. Phân tập thời gian đ−ợc thực hiện nhờ việc sử dụng ph−ơng pháp đan xen và các mã sửa lỗi (đã đề cập ở phần tr−ớc). Hệ thống W-CDMA thực hiện phân tập tần số bằng cách trải năng l−ợng tín hiệu ra một băng tần rộng trong khi pha đinh lựa chọn tần số th−ờng chỉ có ảnh h−ởng trong một độ rộng băng tần 200- 300kHz. Phân tập không gian hay phân tập theo đ−ờng truyền có thể đ−ợc thực hiện theo ba cách sau:
- Thiết lập nhiều đ−ờng tín hiệu (chuyển giao mềm) để kết nối máy di động với hai hoặc nhiều BS.
- Sử dụng môi tr−ờng truyền lan đa đ−ờng nhờ chức năng trải phổ nh− máy thu quét (Rake receiver ) sẽ thu và tổ hợp các tín hiệu phát với các thời gian trễ phát khác nhaụ
- Đặt nhiều anten tại BS.
Các loại phân tập để nâng cao chất l−ợng của hệ thống W- CDMA đ−ợc trình bày trong hình 2.18 và đ−ợc tóm tắt nh− sau:
- Phân tập thời gian - Xen kẽ mã, mã phát hiện và sửa lỗị - Phân tập tần số - Tín hiệu băng rộng 5MHz .
- Phân tập không gian ( phân tập theo đ−ờng truyền ) - Sử dụng hai anten thu tại BS, máy thu quét đa đ−ờng (RAKE) và kết nối với nhiều BS ( chuyển giao mềm ).
Hình 2.18 Các loại phân tập trong W-CDMA
Phân tập anten (phân tập không gian ) có thể đ−ợc áp dụng dễ dàng cho cả các hệ thống FDMA và TDMẠ Phân tập theo thời gian có thể đ−ợc áp dụng đối với tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao đáp ứng đ−ợc yêu cầu cho thủ tục sửa lỗị Nh−ng các ph−ơng pháp khác chỉ có thể đ−ợc áp dụng dễ dàng trong hệ thống W- CDMẠ
Phạm vi rộng của phân tập không gian (phân tập theo đ−ờng truyền ) có thể đ−ợc cung cấp bởi đặc tính duy nhất của chuỗi trực tiếp ở hệ thống W-CDMA và mức độ phân tập cao sẽ đem lại chất l−ợng tốt hơn trong môi tr−ờng nhiễu di động (EMI) lớn.
Bộ điều khiển đa đ−ờng tách ra dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ t−ơng quan song song. Máy di động sử dụng ba bộ t−ơng quan, còn BS sử dụng bốn bộ t−ơng quan. Máy thu có bộ t−ơng quan song song gọi là máy thu quét (máy thu RAKE), nó tìm thu tín hiệu qua mỗi đ−ờng, tổ hợp và giải điều chế tất cả các tín hiệu thu đ−ợc. Hiện t−ợng pha đinh có thể xảy ra trong mỗi tín hiệu thu nh−ng không có sự t−ơng quan giữa các
Phân tập thời gian
Phân tập không gian
đ−ờng thụ Vì vậy, tổ hợp của các tín hiệu thu đ−ợc có độ tin cậy rất cao,vì khả năng xảy ra hiện t−ợng pha đinh đồng thời trong tất cả các tín hiệu thu là cực kỳ thấp.
Nhiều bộ tách t−ơng quan cho phép thông tin đồng thời với hai BS để quá trình chuyển giao mềm có sự hỗ trợ của máy di động có thể thực hiện đ−ợc.
Phần d−ới đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn về hai kỹ thuật phân tập không gian đ−ợc sử dụng trong W-CDMA là kỹ thuật thu RAKE và kỹ thuật chuyển giao mềm.
2.2.5.1 Kỹ thuật thu RAKE
Trong các hệ thống tế bào W- CDMA, đ−ờng truyền từ trạm gốc trong ô tới máy di động ( h−ớng đi ) sử dụng một máy thu quét gồm các bộ t−ơng quan (Correlator) song song ( trong nhiều tài liệu còn gọi là finger) và đ−ờng truyền từ máy di động đến trạm gốc cũng sử dụng một máy thu nh− vậy nh−ng có số bộ t−ơng quan song song nhiều hơn. Thuật ngữ quét "n bộ t−ơng quan " (n-finger ), cho biết số các đ−ờng truyền có thể đ−ợc tổng hợp là n.
Các máy thu quét làm nhiệm vụ phát hiện và đo các thông số của các tín hiệu đa đ−ờng để có thể đ−ợc sử dụng cho thu phân tập hoặc cho các mục đích chuyển giao và kết hợp các đ−ờng tín hiệu một cách nhất quán ( tức là đồng bộ tín hiệu) sau khi giải điều chế mỗi tín hiệu truyền theo một đ−ờng riêng ( tổng hợp sau khi tách sóng ). Việc tách và đo các thông số của các tín hiệu đa đ−ờng đ−ợc thực hiện bởi một " bộ thu tìm kiếm " (searcher receiver) đã đ−ợc lập trình để so sánh các tín hiệu thu với các phần của các mã PN kênh I và kênh Q. Các sóng nhiều tia tới máy thu gây ra hiện t−ợng tự khuếch đại tạo thành các đỉnh t−ơng quan xảy ra tại các thời điểm khác nhaụ Một giá trị biên độ của đỉnh tỷ lệ với đ−ờng bao của tín hiệu trên đ−ờng truyền và thời gian của mỗi đỉnh liên quan tới tín hiệu đến đầu tiên, những yếu tố này đem lại một phép đo về độ trễ của đ−ờng truyền. Bởi vậy, trong thiết kế tiêu chuẩn bao giờ cũng đề cập tới việc xác định bất cứ đ−ờng truyền nào đang tồn tạị
Vì tất cả các trạm gốc sử dụng cùng các mã PN I và Q chỉ khác nhau về bù pha của mã nên không chỉ các tín hiệu đa đ−ờng mà còn cả các trạm gốc khác sẽ đ−ợc phát hiện bởi sự t−ơng quan ( trong một "cửa sổ tìm kiếm " khác nhau của các thời điểm đến) với các phần trong các mã t−ơng ứng với các trạm gốc đã đ−ợc chọn. Nh− vậy, bộ thu tìm kiếm có thể l−u giữ một bảng các tín hiệu đa đ−ờng mạnh và/hoặc các tín hiệu trạm
gốc để có thể kết hợp phân tập hoặc để cho các mục đích chuyển giaọ Để hữu dụng, bảng này cần phải ghi thời gian đến, c−ờng độ tín hiệu và bù mã PN t−ơng ứng.
Trên đ−ờng truyền về, máy thu của trạm gốc đ−ợc ấn định để bám theo một máy phát di động nhất định sử dụng các thời điểm đến và chuỗi bù 0 (zero-offset ) trên kênh mã I và Q để xác định việc tìm kiếm các tín hiệu di động từ các thuê bao liên lạc với trạm gốc đó. Bộ thu tìm kiếm tại trạm gốc có thể nhận biết tín hiệu của máy di động cần thu bằng chuỗi bù mã PN dài ngẫu nhiên hoá duy nhất của nó, tr−ớc khi bắt đầu quá trình truyền dẫn số liệu hoặc thoại trên đ−ờng truyền một đoạn bít mở đầu đặc biệt đ−ợc sử dụng cho mục đích đó. Khi tiến hành cuộc gọi, bộ thu tìm kiếm có khả năng giám sát c−ờng độ của các tín hiệu đa đ−ờng từ máy di động đến trạm gốc và sử dụng nhiều hơn một đ−ờng nhờ việc kết hợp phân tập.
Hình 2.19 Máy thu quét (Rake receiver)
2.2.5.2 Kỹ thuật chuyển giao mềm
Trong môi tr−ờng thông tin di động, khi một thuê bao di chuyển từ vùng phủ sóng của một trạm gốc tới vùng phủ sóng của một trạm gốc khác, một quá trình chuyển giao xảy ra để chuyển tiếp đ−ờng thông tin từ một trạm gốc đến trạm tiếp theọ Hệ thống W- CDMA hỗ trợ các quá trình chuyển giao khác nhaụ ở phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về các quá trình chuyển giao này, đặc biệt là quá trình chuyển giao mềm (soft handoff) và chuyển giao rất mềm (softer handoff) cùng với tác dụng chống pha đinh của các quá trình chuyển giao nàỵ
Trễ Trễ Trễ Bộ tổng hợp
Bộ thu t−ơng quan 1
Bộ thu t−ơng quan 2
Bộ thu t−ơng quan 3
Thứ nhất là quá trình chuyển giao mềm (soft handoff). Trong phần tr−ớc, chúng ta đã đề cập ngắn gọn là W-CDMA sử dụng chuyển giao mềm trong đó trong thời gian chuyển giao một máy di động đồng thời duy trì liên lạc với hai hoặc ba trạm gốc. Khi máy di động di chuyển từ ô hiện tại ( ô nguồn ) tới ô tiếp theo (ô đích ), sự liên lạc trên kênh l−u l−ợng đ−ợc duy trì đồng thời với cả hai ô. Hình 2.20(a) và hình 2.20(b) minh hoạ các đ−ờng truyền đồng thời trong thời gian chuyển giao mềm. Trên đ−ờng truyền đi ( xem hình 2.20(a)), máy di động sử dụng máy thu quét để giải điều chế hai tín hiệu riêng biệt từ hai trạm gốc khác nhaụ Hai tín hiệu đ−ợc kết hợp để tạo ra một tín hiệu tổng hợp có chất l−ợng tốt hơn. Trên đ−ờng truyền về ( xem hình 2.20(b)), tín hiệu phát từ máy di động đ−ợc thu bởi cả hai trạm gốc. Hai ô thực hiện giải điều chế tín hiệu riêng biệt và gửi các khung đã giải điều chế phản hồi về trung tâm chuyển mạch di động (MSC). MSC chứa một bộ lựa chọn để lựa chọn khung tốt nhất trong số các khung đ−ợc gửi phản hồi về.
Thứ hai là quá trình chuyển giao rất mềm ( softer handoff ). Loại chuyển giao này diễn ra khi một máy di động di chuyển giữa hai bộ lựa chọn khác nhau trong cùng một ô. Trên kênh h−ớng đi, máy di động thực hiện cùng quá trình kết hợp nh− trong chuyển giao mềm. Trong tr−ờng hợp này, máy di động sử dụng bộ thu quét của nó để kết hợp các tín hiệu thu đ−ợc từ hai cung (sector) khác nhaụ Tuy nhiên, trên đ−ờng truyền về, hai cung trong cùng một ô thu đồng thời hai tín hiệu từ máy di động. Các tín hiệu đ−ợc giải điều chế và kết hợp trong ô và chỉ một khung đ−ợc gửi trở lại MSC.
Thứ ba là quá trình chuyển giao cứng (hard handoff ). Hệ thống W-CDMA sử dụng hai loại chuyển giao cứng. Chuyển giao W-CDMA tới W-CDMA diễn ra khi máy di động đang chuyển tiếp giữa hai sóng mang W-CDMA ( tức là hai kênh trải phổ đ−ợc tập trung ở các tần số khác nhau). Quá trình chuyển giao cứng này cũng có thể diễn ra khi máy di động chuyển tiếp giữa hai hệ thống của hai nhà khai thác khác nhaụ Đôi khi quá trình chuyển giao W-CDMA tới W-CDMA đ−ợc gọi là chuyển giao D tới D. Mặt khác, quá trình chuyển giao từ hệ thống W-CDMA tới hệ thống t−ơng tự diễn ra khi một cuộc gọi W-CDMA đ−ợc chuyển giao tới một mạng t−ơng tự. Quá trình này có thể xảy ra khi máy di động di chuyển vào một khu vực mà ở đó có dịch vụ t−ơng tự nh−ng không có W-CDMẠ Đôi khi quá trình chuyển giao từ hệ thống W-CDMA tới hệ thống t−ơng tự đ−ợc gọi là chuyển giao D tới Ạ
Hình 2.20 Chuyển giao mềm giữa hai trạm gốc
Tr−ớc khi chúng ta miêu tả chi tiết quá trình chuyển giao mềm, cần l−u ý một điều rất quan trọng là mỗi cung (séc tơ) trong một hệ thống W-CDMA đ−ợc phân biệt với một cung khác bởi kênh hoa tiêu của cung đó. Nh− trình bày trong hình 2.21, kênh hoa tiêu là một trong số bốn kênh lôgic trên đ−ờng truyền đi: Hoa tiêu, tìm gọi, đồng bộ và l−u l−ợng. Kênh hoa tiêu có nhiệm vụ nh− một " đèn hiệu " đối với mỗi cung và trợ giúp cho máy di động trong việc tìm nhận các kênh lôgic khác trong cùng một cung. Không có thông tin đ−ợc chứa đựng trong kênh hoa tiêu ngoài mã PN ngắn với một chuỗi bù (chuỗi ôpset) đặc tr−ng đ−ợc ấn định cho riêng cung đó. L−u ý là khi một chuỗi PN cộng với một chuỗi bù nó sẽ trở thành một chuỗi PN khác và chuỗi PN bù này là trực giao với chuỗi PN gốc. Mã PN đ−ợc phát trên kênh hoa tiêu sử dụng đặc tính này để phân biệt bản thân nó với các cung khác và các trạm gốc khác. Chuỗi bù
(a) Chuyển giao mềm giữa hai trạm gốc - đ−ờng truyền đi
MSC Đ−ờng truyền đi Ô đích Ô nguồn Máy di động kết hợp hai tín hiệu Đ−ờng truyền về MSC Bộ chọn Ô đích Ô nguồn
Khung đã giải điều chế
Khung đã giải điều chế Lựa chọn khung tốt nhất
Máy di động
của một chuỗi PN kết hợp với một cung riêng đ−ợc chỉ định bằng thông số PILOT PN cho cung đó.
Hình 2.21 Tín hiệu trải phổ ở đ−ờng truyền đi trong W-CDMA
Một thuật ngữ đặc biệt đ−ợc sử dụng để mô tả SNR của kênh hoa tiêu: năng l−ợng chíp trên mật độ nhiễu hoặc Ec/Io. Năng l−ợng chíp (năng l−ợng trên một chíp) khác với năng l−ợng bít trong đó "các chíp" liên quan tới các chuỗi PN đ−ợc trải phổ. Vì không có thông tin băng gốc chứa đựng trong kênh hoa tiêu, nên kênh hoa tiêu không có quá trình giải trải phổ và các bít không đ−ợc khôi phục. Do đó, để mô tả c−ờng độ tín hiệu của kênh hoa tiêu, tỷ số S/N (SNR) hoặc Ec/Io đ−ợc sử dụng. L−u ý rằng do kênh hoa tiêu không đ−ợc giải trải phổ nên Ec/Io duy trì d−ới mức 1 trong phần lớn thời gian.
Trong ví dụ sau đây, chúng ta sẽ xem xét quá trình chuyển giao từ ô nguồn tới ô đích. Trong việc quản lý quá trình chuyển giao, máy di động l−u giữ trong bộ nhớ của nó bốn danh sách riêng của các séc tơ trong trạm gốc d−ới dạng các tậpdanh sách. Có bốn loại tập danh sách là tập hoạt động (active set), tập dự tuyển (candidate set ), tập lân cận ( neighbor set ) và tập d− (remaining set). Tập hoạt động (A) chứa các kênh hoa tiêu của các séc tơ đang thông tin với máy di động trên các kênh l−u l−ợng. Tập dự tuyển chứa các kênh hoa tiêu có Ec/Io đủ lớn để làm cho chúng trở thành các kênh dự tuyển ( có thể chọn ) cho chuyển giaọTập lân cận (N) chứa các kênh hoa tiêu nằm trong danh sách kênh lân cận ( láng giềng ) của séc tơ đang phục vụ thông tin cho máy di động. Tập d− (R) chứa tất cả các kênh hoa tiêu còn lại trong hệ thống đối với tần số
Kênh l−u l−ợng K (cho thuê bao K)
Kênh l−u l−ợng 2 (cho thuê bao 2)
Kênh l−u l−ợng 1 (cho thuê bao 1)
Kênh đồng bộ Kênh tìm gọi Kênh hoa tiêu
Tần số
sóng mang W-CDMA, trừ các kênh hoa tiêu đang nằm trong các tập hoạt động, dự tuyển và lân cận.
Nh− trình bày trong hình 2.22, máy di động di chuyển từ vùng phủ sóng của ô nguồn A tới vùng phủ sóng của ô đích B. Sau đây là một chuỗi các b−ớc trong quá trình chuyển giao này:
1. ở đây máy di động chỉ đang đ−ợc phục vụ bởi ô A và tập hoạt động của nó chỉ chứa kênh hoa tiêu Ạ Máy di động đo tỷ số Ec/Io của kênh hoa tiêu B và nhận thấy nó lớn hơn T_AĐ. Máy di động gửi một bản tin đo c−ờng độ kênh hoa tiêu và chuyển kênh hoa tiêu B từ tập lân cận tới tập dự tuyển. 2. Máy di động thu đ−ợc một bản tin điều khiển chuyển giao từ ô Ạ Bản tin
điều khiển để máy di động bắt đầu thông tin trên một kênh l−u l−ợng mới với ô B.
3. Máy di động chuyển kênh hoa tiêu B từ tập dự tuyển tới tập hoạt động. Sau khi chiếm đ−ợc kênh l−u l−ợng h−ớng đi đã đ−ợc chỉ định trong bản tin điều khiển chuyển giao, máy di sẽ động gửi một bản tin hoàn thành chuyển giaọ
Lúc này tập hoạt động chứa hai kênh hoa tiêụ
4. Máy di động phát hiện ra kênh hoa tiêu A hiện đã bị rớt xuống d−ới ng−ỡng T_DROP. Máy di động khởi động bộ đếm thời gian rớt mức.
5. Bộ đếm thời gian rớt mức đạt đến giá trị T_TDROP. Máy di động sẽ gửi đi một bản tin đo c−ờng độ kênh hoa tiêụ
6. Máy di động nhận đ−ợc một bản tin điều khiển chuyển giaọ Bản tin này chỉ chứa ôpset PN của ô B. Ôpset PN của ô A không có trong bản tin nàỵ
7. Máy di động chuyển kênh hoa tiêu A từ tập hoạt động tới tập lân cận và nó gửi đi một bản tin hoàn thành chuyển giaọ
Có một ph−ơng pháp khác có thể kích hoạt quá trình phát bản tin đo c−ờng độ kênh hoa tiêu bởi máy di động. Nếu c−ờng độ của một kênh hoa tiêu trong tập dự tuyển v−ợt quá c−ờng độ của một kênh hoa tiêu trong tập hoạt động bởi sự so sánh ng−ỡng T COMP x 0,5 dB giữa tập hoạt động với tập dự tuyển, thì máy di động sẽ