3.2. Một số kết quả đánh giá lớp vật lý W-CDMA
3.2.2. Mô phỏng quá trình truyền dẫn qua lớp vật lý WCDM A FDD đường xuống theo
xuống theo 3GPP.
Quá trình truyền dẫn vô tuyến từ đầu cuối đến đầu cuối theo sơ đồ chức năng của hình 2.15 có các khối như sau:
Hình 3.10 Sơ đồ tổng quát truyền dẫn vật lý WCDMA - FDD đường xuống theo 3GPP.
- Node B : Trạm cơ sở phát - Kênh truyền
- UE: Thiết bị người sử dụng thu tín hiệu từ BS
Trong phạm vi mô phỏng này tôi chỉ đưa ra một số khối như sau:
3.2.2.1. Node B:
Trong đó khối DTCH và DCCH là các khối dữ liệu của kênh dữ liệu dành riêng và kênh điều khiển dành riêng được mã kênh và ghép lên các kênh truyền tải trước khi được điều chế để truyền qua kênh truyền.
Hình 3.11. Sơ đồ khối node B
a. Khối mã kênh:
Chức năng của khối mã kênh thực hiện chức năng phát hiện và sửa lỗi dẫn tới giảm sác xuất lỗi bit trên đường truyền sau khi được ghép trên kênh truyền tải, trải phổ và truyền qua kênh truyền: Quá trình thực hiện của khối mã kênh là : Đầu tiên khối dữ liệu được chèn thêm bit CRC vào kênh dành riêng sau đó thực hiện ghép các khối tuyền tải, tiếp đến dữ liệu được đưa đến bộ mã kênh, và được đưa đến bộ phối hợp tốc độ sau đó dữ liệu được ghép xen lần thứ 1 và cuối cùng đưa đến bộ phân đoạn khung vô tuyến. Sơ đồ chức năng của khối mã kênh như sau:
Hình 3.12 Sơ đồ khối mã kênh
- Khối tính toán CRC : thực hiện chèn thêm các bit CRC để điều khiển lỗi nhận được. Số bit CRC thêm vào có thể là {24, 16, 12, 8, 0} phụ thuộc vào dữ liệu đầu vào.
- Ghép khối truyên tải : thực hiện tính toán số bit trên kênh truyền tải, số bit đuôi được thêm vào và số bit của từ mã.
- Bộ mã kênh : Thực hiện mã hóa hóa dữ liệu trước khi thực hiện các bước tiếp theo. Tại bộ thu, bộ giải mã kênh dựa vào đó để giải mã ra dữ liệu và bộ mã kênh cho phép hiệu chỉnh một số giới hạn lỗi bit truyên đường truyền. Trong trường hợp này bộ mã kênh được lựa chọn là bộ mã chập và mã Turbo áp dụng cho UMTS đều có tốc độ của bộ mã hóa là 1/3.
b. Khối ánh xạ kênh vật lý
Sau khi dữ liệu các kênh truyền tải được kết hợp lại với nhau trên một kênh truyền tải dành riêng, sau đó dữ liệu được phân đoạn thành các kênh vật lý và chèn các bit điều khiển công suất để phát trên một khe thời gian của lớp vật lý trước khi thực
Hình 3.13 Ánh xạ kênh vật lý tại BS
c. Khối phát
Hình 3.14 Khối phát BS
Trong đó có :
* Khối phát kênh chung DL WCDMA
Khối phát kênh chung DL WCDMA này gồm ba kênh: CPICH, PICH, CCPCH phù hợp với chuẩn của hệ thống WCDMA.
Khối này phát 3 kênh:
- Kênh hoa tiêu chung CPICH - Kênh chỉ thị tìm gọi PICH
- Kênh vật lý điều khiển chung CCPCH
*) CPICH: Common Pilot Channel: Là kênh vật lý đường xuống, phát một chuỗi bít định trước với tốc độ 30 kbps, có SF = 256 giúp UE đo được mức tín hiệu của từng cell mà UE thu được.
*) PICH: Paging Indicator Channel: Được dùng kết hợp với S-CCPCH. Nhiệm vụ của PICH là chỉ điểm cho UE biết khi nào phải giải mã thông tin của PCH trên S- CCPCH.
Hình 3.15: Cấu trúc khung cho kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH
*) P-CCPCH: Primary Common Control Physical Channel: Tốc độ cố định là 30 kbps có SF = 256 để mang kênh điều khiển quảng bá (BCH). Hình 3.2 đưa ra cấu trúc khung của P-CCPCH. Cấu trúc khung này khác với DPCH đường xuống ở chỗ không có lệnh TPC, TFCI và các bít hoa tiêu. P-CCPCH không được phát trong 256 chíp đầu của từng khe. Trong khoảng thời gian này SCH sơ cấp và thứ cấp được phát.
Kênh quảng bá (BCH_Broadcast Channel) là một kênh truyền tải được sử dụng để phát ở đường xuống các thông tin đặc thù mạng UTRAN hoặc ô (thông tin hệ thống) trên toàn bộ ô cho tất cả các UE trong một ô. Trong một mạng, thông thường số liệu quan trọng nhất là các mã truy cập ngẫu nhiên và các khe thời gian có thể cấp phát hay các kiểu phân tập phát được sử dụng với các kênh khác đối với một ô cho trước. Vì UE chỉ có thể đăng ký đến ô này nếu nó có thể giải mã kênh quảng bá, nên cần phát kênh này ở công suất khá cao để có thể truyền đến tất cả người dùng trong vùng phủ sóng yêu cầu. Ngoài ra tốc độ số liệu của BCH phải đủ thấp so với một số kênh khác để các UE chỉ có khả năng xử lý tốc độ thấp cũng phải giải mã được kênh này. Khi phát ở giao diện vô tuyến thông tin của BCH được phát tại tốc độ cố định 30 kbit/s gồm cả thông tin bổ sung. Vì hai bít đầu (tương ứng với 256 chip) của khe không được phát nên tốc độ thực tế của BCH là 270 kbit/s
* Khối ánh xạ DPCH IQ
Số liệu 18 bit
(Tx tắt)
Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14
Tkhe=2560 chip, 20 bit
1 khung vô tuyến: Tf = 10 ms 256 chip
- Khối biến đổi từ bít sang số nguyên: thực hiện biến đổi nhóm các bít vector tại đầu vào thành các số nguyên tại vector lối ra.
- Khối ánh xạ dữ liệu: Dữ liệu ở dạng số nguyên từ lối ra của khối biến đổi từ bít sang số nguyên được đưa đến khối ánh xạ. Khối này sẽ nhận dữ liệu ở dạng số nguyên và ánh xạ. Kết quả lối ra cũng là các số nguyên. Chúng ta có 4 chế độ ánh xạ: Chế độ từ nhị phân sang Gray, chế độ từ Gray sang nhị phân, chế độ do người dùng định nghĩa, chế độ ánh xạ thẳng (nghĩa là tín hiệu lối vào ở dạng nào thì sau khi ánh xạ tín hiệu lối ra cũng ở dạng đó).
- Khối điều chế băng gốc QPSK: sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch pha cầu phương (QPSK). Lối ra là biểu diễn dạng băng gốc của tín hiệu đã điều chế.
* Khối trải phổ WCDMA
Trong hệ thống này sử dụng trải phổ dãy trực tiếp (DSSS), các bít dữ liệu được mã hoá với một chuỗi bít giả ngẫu nhiên (PN). Mạng vô tuyến UMTS sử dụng một tốc độ chíp cố định là 3.84 Mcps với băng thông sóng mang xấp xỉ 5MHz.
* Bộ trộn WCDMA
Mã trộn được sử dụng trên đường xuống là tập hợp chuỗi mã Gold. Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n. Chức năng của nó dùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau. Thông qua mô phỏng, n được xác định là tỉ số giữa tự tương quan và tương quan chéo khi thay đổi số chíp bị cắt do sự thay đổi tỉ số S/N.
Thực hiện việc trộn của tín hiệu đầu vào có giá trị phức tạp bằng cách sử dụng một chuỗi mã Gold là khoảng thời gian dài mà cắt ngắn đến 10 ms. Trình tự được sử dụng bởi tất cả các kênh trong tế bào.
* Điều khiển công suất WCDMA
Điều khiển công suất là một công việc quan trọng trong tất cả các hệ thống di động vì vấn đề tuổi thọ của pin và các lý do an toàn, nhưng trong các hệ thống CDMA, điều khiển công suất là cần thiết bởi vì đặc điểm giới hạn nhiễu của CDMA.
Trong các hệ thống GSM, chỉ áp dụng điều khiển công suất chậm (tần số xấp xỉ 2 Hz). Trong IS-95, điều khiển công suất nhanh với tần số 800 Hz được hỗ trợ ở đường lên, còn đường xuống, một vòng điều khiển công suất tương đối chậm (xấp xỉ 50 Hz) điều khiển công suất truyền. Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh với tần số 1,5 KHz được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Điều khiển công suất nhanh khép kín là một vấn đề quan trọng trong hệ thống WCDMA.
3.2.2.2. Kênh truyền
Hình 3.17 Sơ đồ khối kênh truyền
Khi đi qua kênh truyền thì tín hiệu sẽ bị nhiễu vì hiện tượng fading đa đường và nhiễu tạp âm Gauss trắng cộng.
* Khối fading đa đường
Nguyên nhân của hiện tượng Rayleigh đa đường là do các tín hiệu khi được truyền đi qua nhiều con đường khác nhau. Tín hiệu vào có thể là một giá trị vô hướng hoặc một vector khung cơ sở. Nhưng là một tín hiệu phức.
Mối liên hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu gây ra bởi hiệu ứng Doppler trong tần số tín hiệu. Phổ tín hiệu Jakes PSD xác định phổ của hiệu ứng Rayleigh.
Từ một kênh đa đường phản xạ tín hiệu liên tiếp tại nhiều điểm, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu theo nhiều con đường khác nhau, có độ dài khác nhau. Kết quả là chúng cũng có có thời gian trễ khác nhau. Fading xuất hiện khi tín hiệu đi qua nhiều đường truyền khác nhau và có nhiễu của các kênh khác nhau. Trong tham số của block vector trễ chỉ ra thời gian trễ cho mỗi đường khác nhau.
* Khối nhiễu tạp âm Gauss trắng cộng
Chức năng của khối này là sẽ cộng nhiễu tạp âm trắng vào trong tín hiệu vào. Tín hiệu vào và tín hiệu ra có thể là số thực hoặc số phức. Nếu tín hiệu vào là thực thì khối này sẽ là nhiễu tạp âm Gauss trắng cộng thực và tạo ra một tín hiệu thực ở lối ra. Khi tín hiệu vào là phức thì khối này sẽ là nhiễu tạp âm Gauss trắng cộng phức và sinh tín hiệu phức ở lối ra. Khối này nhận các mẫu theo thời gian từ tín hiệu lối vào.
3.2.2.3 UE: thiết bị người sử dụng
Thiết bị ngườ sử dụng gồm 3 khối chính là: Khối thu UE thực hiện giải điều chế trải phổ WCDMA, Giải ánh xạ kênh vật lý, và khối giải mã kênh. Thiết bị thu UE có chức năng thu tín hiệu vô tuyến thông qua kênh truyền giải điều chế tín hiệu thành các khối dữ liệu kênh rành riêng DTCH và DCCH từ kết quả đó đưa ra so sánh với dữ liệu
Hình 3.18: Sơ đồ khối máy thu UE
a. Khối thu UE
Hình 3.19 Sơ đồ khối bộ thu vô tuyến thực hiện nén phổ tín hiệu
* Bộ thu Rake
Bộ thu Rake được sử dụng để cho phép mỗi anten thu một tín hiệu và bù cho hiện tượng fading. Khi một tín hiệu dải rộng được thu qua một kênh đa đường, tại bộ thu sẽ xuất hiện nhiều độ trễ khác nhau. Chức năng của bộ thu Rake là lấy mẫu, tính toán, khôi phục và tăng cường. Bộ thu Rake phân tích và kết hợp các tín hiệu mong muốn cho một người dùng. Bộ thu Rake trong phần mô phỏng này bao gồm bốn nhánh, mỗi nhánh có thể coi là một bộ thu riêng biệt. Mỗi bộ thu này sẽ thu một tín hiệu mong muốn và sau đó sẽ chỉnh sửa thời gian liên quan bằng các mạch trễ. Kết quả cuối cùng, tất cả các tín hiệu từ mỗi bộ thu sẽ được kết hợp lại với nhau, do đó sẽ khôi phục và tăng cường tín hiệu mong muốn. Tín hiệu sau khi thu được ở bộ thu RAKE sẽ được đưa đến bộ giải ánh xạ IQ.
b. Giải ánh xạ kênh vật lý
Thực hiện giải ánh xạ kênh vật lý thành dữ liệu kênh truyền tải. Dữ liệu nhận được sau khi thực hiện giải trải phổ các khe thời gian sẽ được tách các bit điều khiển công suất TPC để điều khiển công suất phát của UE, phần dữ liệu thực của kênh truyền tải CCTrCH đã được xáo trộn ở bên phát. Sẽ được giải xáo trộn và kết hợp lại thành kênh truyền tải để đưa đến bộ mã kênh
Hình 3.20 Sơ đồ khối giải ánh xạ kênh vật lý máy thu tại UE
c. Khối giải mã kênh
Radio Frame
Concatenation Code Blk Concat/ TrBlk Segm SyndromeDetector Channel Decoding 1st Deinterleaver Rate DeMatching
Wcdma Physical Channel RX Error Correction
4 BLER2 3 TrChOut3 2 BLER1 1 TrChOut1 Wcdma Syndrome Detector Rate Dematching Radio Frame Concat Code Blk Concatenat TrBlk Segment Channel Decoding 1st DeInterleaver 1 CCtrChIn1 dcch dtch cctrch sy n2 dcch sy n1 dtch dcch dtch dcch dtch dcch dtch dcch dtch
Hinh 3.21. Sơ đồ khối giải mã kênh
Thực hiện giải điều chế tín hiệu từ kênh truyền tải thành các kênh dành riêng DCCH và DTCH. Bộ giải mã kênh có thể thực hiện hiệu chỉnh một số lỗi trên kênh truyền
3.2.2.4. Kết quả mô phỏng
b. Dạng tín hiệu trong miền tần số
Tín hiệu trải phổ gồm hai thành phần I và Q được thể hiện trên hình: - Dạng phổ công suất của tín hiệu trước khi trải phổ
- Dạng phổ công suất của tín hiệu sau khi trải phổ
- Dạng phổ công suất của tín hiệu trước khi định dạng xung
c. Một số kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số kênh truyền: Trường hợp kênh AWGN
Truyền dẫn tốc độ bit trên kênh DTCH là 384 kbps, hệ số trải phổ bằng 8, và truyền trên kênh AWGN có tỷ số EbN0 bằng -3 đến 0.25 dB, trong khi EbN0 lớn hơn 1 thì tỷ lệ lỗi BER rất nhỏ. với việc sử dụng bộ mã kênh là mã chập đều có tốc độ của bộ mã hóa là 1/3. sử dụng bộ mã hóa CRC có số bit dư thêm vào mỗi khối là 16 bit.
ES/N0(dB) BER Mã Chập ES/N0(dB) BER Mã Chập -3.00 2,83e-2 -1.25 2,855e-4 -2.75 1,664e-2 -1.0 1,207e-4 -2.50 9,251e-3 -0.75 4,884e-5 -2.25 4,793e-3 -0.50 2,612e-5 -2.00 2.48e-3 -0.25 1,646e-5 -1.75 1,241e-3 0 4,702e-6 -1.50 6,005e-4 0.25 1,576e-6
Trường hợp kênh fading đa đường kết hợp kênh AWGN:
Truyền dẫn tốc độ bit trên kênh DTCH là 384 kbps, hệ số trải phổ bằng 8, và truyền trên kênh fading trường hợp 6, tốc độ máy di động là 250 km/h với số nhánh thu phân tập sử dụng bộ thu RAKE là 4 và kết hợp AWGN có tỷ số EbN0 bằng -3 đến 4 dB, với việc sử dụng bộ mã kênh là mã chập đều có tốc độ của bộ mã hóa là 1/3. sử dụng bộ mã hóa CRC có số bit dư thêm vào mỗi khối là 16 bit.
ES/N0 (sB) BER ES/N0 (dB) BER -3 6.935e-2 1 3.893e-4 -2.5 4.135e-2 1.5 1.965e-4 -2 2.339e-2 2 9.851e-5 -1.5 1.258e-2 2.5 6.602e-5 -1 6.588e-3 3 2.515e-5 -0.5 3.274e-3 3.5 1.36e-5 0 1.61e-3 4 8.384e-6 0.5 7.661e-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1
Signal to Noise Ratio - Es/No (dB)
BER
Ty le loi Ber dua vao ma chap
AWGN
Multipath + AWGN
Hình 3.22. Tỷ lệ BER trên kênh Multipath + AWGN hoặc AWGN
Nhận xét:
Từ kết quả mô phỏng ở trên ta thấy, khi không có nhiễu đa đường thì tỷ lệ lỗi BER rất tốt, đảm bảo lỗi ber chép khi truyền qua kênh AWGN còn với kênh fading đa đường nhiễu BER kém hơn khi EbN0 nhỏ hơn 1dB, lỗi BER chỉ đạt xấp xỉ là 10-3
Xét kênh DTCH với tốc độ truyền dẫn trên kênh là 12,2kbps, với bộ mã kênh là bộ mã chập có tốc độ bộ mã hóa 1/3, số bit truyền là 1,218e+6
Các thông số Kênh đa đường trường hợp 1
Kênh đa đường trường hợp 4
Kênh đa đường trường hợp 5
Số lượng nhánh 2 2 2
Độ trễ tương đối của tín hiệu
nhận (s)
[0 976e-9] [0 976e-9] [0 976e-9] Công suất trung
bình của tín hiệu nhận (dB)
[0 -10] [0 0] [0 -10]
Tốc độ đầu cuối
(Km/h) 3 3 50
Tổng số lỗi bit 1,059e+4 955 295
Tỷ lệ lỗi BER 8,684e-3 7,829e-4 2,2419e-4
Một số kết quả mô phỏng:
Tỷ lệ lỗi BER trong trường hợp kênh fading trường hợp 4:
- Tỷ lệ lỗi bit
Dạng phổ công suất tín hiệu sau khi trải phổ:
Tỷ lệ lỗi BER trong trường hợp kênh fading trường hợp 5:
- Tỷ lệ lỗi bit
- Phổ công suất của tín hiệu sau khi trải phổ