Trong chương này đã trình bày được tổng quan và đặc tính, của các mã trải phổ. Do các hệ thống WCDMA sử dụng phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) với tốc độ chip Rc= 3.84 Mcps. Trải phổ được thực hiện tại hai thao tác với hai mã: (1) trải phổ bằng mã định kênh, (2) trải phổ bằng mã nhận dạng nguồn phát. Mã định kênh được xây dựng trên cơ sở mã hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF). Mã ngẫu nhiên hoá được cấu trúc từ mã Gold. Đường xuống của WCDMA sử dụng điều chế QPSK kết hợp với mã hoá kênh kiểm soát lỗi. Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao đã cho phép nhiều nhiều người dùng có thể sử dụng chung một tần số. Nhờ có tính trực giao của các mã mà máy đầu cuối có thể dễ dàng tách ra được tín hiệu mong muốn của mình. Tuy nhiên, cũng vì sử dụng chung một tần số mà có thể xảy ra hiện tượng gần xa. Trong đó, máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các người dùng khác.
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VIỆC SỬ DỤNG MÃ TRẢI PHỔ TRONG W-CDMA [11], [12]
Trong chương này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về sơ đồ khối và chức năng của từng khối trong toàn bộ hệ thống. Chức năng của lớp vật lý cũng được trình bày một cách đầy đủ dựa vào các khối của chương trình mơ phỏng. Dựa vào kết quả mơ phỏng chúng ta có thể kiểm chứng được lý thuyết đã tìm hiểu.
3.1 Mơ phỏng q trình trải phổ và điều chế lớp vật lý W-CDMA cho đƣờng xuống theo 3GPP
Qúa trình điều chế và trải phổ tại lớp vật lý W-CDMA cho đường xuống theo 3GPP gồm ba khối sau:
- Khối phát.
- Khối kênh truyền.
- Khối thu
Trong phạm vi bài mơ phỏng này tơi chỉ trình bày một số khối cơ bản dưới đây:
3.1.1 Khối phát
Hình 3.1: Sơ đồ khối phát
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. *) 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 khơng 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.
Hình 3.2: Cấu trúc khung cho kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH
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 tồn bộ ơ 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 cá kênh khác đối với một ơ cho trước. Vì UE chỉ có thể đăng ký đến ơ này nếu nó có thể giải mã kênh quảng bá, nên cần phát kênh này ở cơng suất khá cao để có thể truyền đến tất cả người dùng trong vùng phủ sóng u cầu. Ngồi ra tốc độ số liệu của BCH phải đủ thấp so với một số kênh khác để các UE chỉ có khả
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
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
3.1.1.2 Khối ánh xạ DPCH IQ
Hình 3.3: Sơ đồ khối ánh xạ
*) Khối biến đổi từ bít sang số nguyên
Khối biến đổi từ bít sang số nguyên: Biến đổi nhóm các bít vector tại đầu vào thành các số nguyên tại vector lối ra.
Giả sử ta gọi M là số bít để nhóm thành một số nguyên, khi đó khối này sẽ biến đổi mỗi nhóm M bít thành một số nguyên, với số nguyên này nằm trong khoảng từ 0 đến 2M-1. Kết quả, vector lối ra có chiều dài bằng 1/M lần chiều dài của vector lối vào.
Nếu lối vào là mẫu cơ sở, thì lối ra là một vector có chiều dài bằng số bít/số nguyên. Nếu lối vào là khung cơ sở, thì lối ra là một vector cột có chiều dài bằng một số nguyên lần của số bít/số nguyên.
Ví dụ: Nếu lối vào là [0;1;1;1;1;1;0;1], và số bít để nhóm thành một số ngun là 4 thì lối ra là [7;13]. Khi đó khối này sẽ biến đổi nhóm 4 bít đầu tiên [0;1;1;1] thành 7, và sau đó nhóm 4 bít tiếp theo [1;1;0;1] thành 13. Chiều dài của vector lối ra bằng 1/4 chiều dài vector lối vào.
*) 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
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.
+) Lối vào và dạng chòm sao
Nếu lối vào ở dạng số nguyên thì giá trị lối ra là 0, 1, 2, 3. Nếu lối vào là m thì lối ra là exp(j jm/2), với là độ lệch pha, trong trường hợp này lối ra có thể là vector vô hướng hoặc là một khung cơ sở theo vector cột.
Nếu lối vào ở dạng bít thì lối ra là một cặp số nhị phân. Lối vào có thể là một vector có chiều dài là 2 hoặc là một khung cơ sở theo cột có chiều dài bằng một nguyên chẵn.Nếu tham số độ lệch pha được lấy là pi/4, thì khối này sẽ dùng một trong các dạng chịm sao tín hiệu sau:
Việc lấy dạng chịm sao tín hiệu nào phụ thuộc vào tham số bậc của chòm sao là nhị phân hay là Gray.
Giảm mẫu tín hiệu đã điều chế
Mỗi cặp bít DPCH được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và được ánh xạ tới nhánh I và Q. Những symbol có đánh số chẵn thì được ánh xạ tới nhánh I và những symbol có đánh số lẻ thì được ánh xạ tới nhánh Q.
3.1.1.3 Khối trải phổ WCDMA
Trong hệ thống này sử dụng trải phổ dãy trực tiếp (DSSS), các bít dữ liệu được mã hố 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 thơng sóng mang xấp xỉ 5MHz.
3.1.1.4 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 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 cơng 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 cơng suất nhanh khép kín là một vấn đề quan trọng trong hệ thống WCDMA.
3.1.2 Kênh truyền
Hình 3.4: 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.
3.1.2.1 Khối fading đa đƣờng
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 vơ 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.
3.1.2.2 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.
3.1.3 Khối thu
Hình 3.5: Sơ đồ khối thu
3.1.3.1 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 tốn, khơi
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 mơ 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 khơi 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.
3.2 Kết quả mơ phỏng
3.2.2 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 cơng suất của tín hiệu trước khi trải phổ
- Dạng phổ cơng suất của tín hiệu trước khi định dạng xung
3.2.3 Khi kênh truyền thay đổi
3.2.3.1 Thiết lập các thông số của kênh truyền và khối thu đƣợc sử dụng
Các thông số Kênh đa đường trường hợp 1
Kênh đa đường trường hợp 2
Kênh đa đường trường hợp 5
Kênh đa đường trường hợp 6
SNR (dB) -3 -3 -3 -3
Số lượng nhánh 2 3 2 4
Độ trễ tương đối của tín hiệu
nhận (s)
[0 976e-9] [0 976e-9 20000e-9]
[0 796e-9] [0 260e-9 521e- 9 781e-9]
Cơng suất trung bình của tín hiệu nhận (dB) [0 -10] [0 0 0] [0 -10] [0 -3 -6 -9] Tốc độ đầu cuối (Km/h) 3 3 50 250 Tỉ số lỗi bit (BER) xảy ra (bit) 951 12 1112 105
3.2.3.2 Kết quả mô phỏng khi kênh truyền thay đổi *) Kênh đa đƣờng trƣờng hợp 1 *) Kênh đa đƣờng trƣờng hợp 1
Trong phần này tơi chỉ trình bày kết quả mô phỏng các kênh đa đường trường hợp1, cịn kết quả mơ phỏng của các kênh đa đường cịn lại tơi trình bày trong phần phụ lục.
- Kết quả về tỉ lệ lỗi bít
- Dạng phổ cơng suất của tín hiệu thu được
3.2.3.3 Nhận xét
Kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong đó đa đường và dịch tần Doppler (do máy thu chuyển động), và cơng suất trung bình của tín hiệu nhận là các yếu tố điển hình. Các yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu và làm cho xác suất lỗi lớn.
Trong trường hợp kênh đa đường trường hợp 1 và kênh đa đường trường hợp 6 là hai mơ hình kênh đa đường và dịch tần Doppler. Kênh đa đường trường hợp 1 là kênh đa đường và máy thu chuyển động với tốc độ thấp (3km/h) nhưng tại bộ thu lại sử dụng máy thu RAKE chỉ có hai nhánh (finger) nên chất lượng tín hiệu kém và xảy ra nhiều lỗi hơn.
b/ Tỉ lệ lỗi bít (BER) của kênh đa đường trường hợp 6
Hình 3.6 Tỉ lệ lỗi bít (BER) của kênh đa đường trường hợp 1, và 6
Trong khi đó trường hợp kênh đa đường trường hợp 6 là kênh đa đường và máy thu chuyển động với tốc độ cao (250Km/h) nhưng tại bộ thu lại sử dụng máy thu RAKE có tới 4 nhánh (finger) nên chất lượng thu tốt hơn, và xảy ra ít lỗi hơn. Như vậy cho thấy kênh truyền vô tuyến chịu ảnh hưởng rất nhiều của đa đường.
Trong trường hợp kênh đa đường trường hợp 1 và kênh đa đường trường hợp 5 là hai mơ hình kênh đa đường và dịch tần Doppler. Cả hai kênh này có cùng tỉ số SNR, sử dụng máy thu RAKE giống nhau (hai nhánh thu), có cùng độ trễ tương đối của tín hiệu nhận, và cơng suất trung bình của tín hiệu nhân nhưng trường hợp kênh đa đường trường hợp 1 có tốc độ chuyển động của máy thu thấp hơn (3 Km/h, trong khi của kênh đa đường trường hợp 5 là 50 Km/h) nên chất lượng thu tốt hơn và xảy ra ít lỗi hơn. Như vậy, chất lượng truyền tin phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của máy thu, hay chính là phụ thuộc vào dịch tần Doppler.
a/ Tỉ lệ lỗi bít (BER) của kênh đa đường trường hợp 1
Hình 3.7 Tỉ lệ lỗi bít (BER) của kênh đa đường trường hợp 1 và 5
Trường hợp kênh đa đường trường hợp 1 và kênh đa đường trường hợp 4. Hai kênh này có cùng tỉ số SNR, sử dụng máy thu giống nhau (2 nhánh thu), có cùng độ trễ tương đối của tín hiệu nhận, có cùng tốc độ đầu cuối (3 Km/h) nhưng có cơng suất trung bình của tín hiệu nhận khác nhau. Với kênh đa đường trường hợp 1 có cơng suất trung bình của tín hiệu nhận cao hơn, nên chất lượng thu kém hơn và bị lỗi nhiều hơn. Như vậy