3.3.1 Các hệ thống thông tin trải phổ
Trong các hệ thống thông tin thông thƣờng độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đƣợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tƣơng tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trƣờng hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).
Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu đƣợc mở rộng, thông thƣờng hàng trăm lần trƣớc khi đƣợc phát. Khi chỉ có một ngƣời sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần nhƣ vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trƣờng nhiều ngƣời sử dụng, các ngƣời sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì đƣợc các ƣu điểm của trải phổ.
Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản:
Chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum) Nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) Nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum)
WCDMA sử dụng DSSS. DSSS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát.
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
3.3.2 Các mã trải phổ trong WCDMA
Khái niệm trải phổ đƣợc áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao gồm hai thao tác. Thao tác đầu tiên là thao tác định kênh,trong đó mỗi ký hiệu số liệu đƣợc chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu. Số chip trên một ký hiệu đƣợc gọi là hệ số trải phổ (SF: Spectrum Factor), hay nói một cách khác SF=Rs/Rc trong đó Rs là tốc độ ký hiệu còn Rc là tốc đô chip.
Thao tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hóa để tăng tính trực giao trong đó một mã ngẫu nhiên hóa đƣợc ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ. Mã ngẫu nhiên hoá đƣợc xây dựng trên cơ sở mã Gold
Mã định kênh Ci(t)
Các mã định kênh là các mã OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor: Hệ số trải phổ trực giao). Về căn bản đây là các mã Walsh có độ dài khác nhau để đảm bảo tính trực giao giữa các kênh thậm chí cả khi chúng hoạt động ở các tốc độ liệu khác nhau. OVSF đƣợc tổ chức theo định dạng cây nhƣ hình 3. 10
Hình 3.10. Cây mã định kênh
Đối với hệ số trải phổ SF=1 sẽ chỉ có một mã định kênh Cch,1,0 =(1), nghĩa là một từ với một chip ở mức logic 1. Đối với SF=2,sẽ có hai mã Cch,2,0 =(1,1) và Cch,2,1=(1,-1). Đối với SF=4,ta có bốn mã:
Cch,4,0=(1,1,1,1),Cch,4,1=(1,1,-1,-1) Cch,4,2=(1,-1,1,-1),Cch,4,3=(1,-1,-1,1) Tổng quát ta có thể viết nhƣ sau:
Cch,1,0=1 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
Các mã OVSF chỉ hiệu quả khi các kênh đƣợc đồng bộ hoàn hảo tại mức ký hiệu. Mất tƣơng quan chéo do truyền sóng đa đƣờng đƣợc bù trừ bởi thao tác ngẫu nhiên hóa bổ sung. Với thao tác ngẫu nhiên hóa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của tín hiệu trải phổ đƣợc nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hóa phức.
Mã ngẫu nhiên hóa phức đƣợc sử dụng để phân biệt các nguồn phát: Các ô khác nhau đối với đƣờng xuống
Các UE khác nhau đối với đƣờng lên
Chú ý là để sử dụng thêm một mã định kênh trong một ô ta phải tuân theo quy định nhƣ: chƣa sử dụng mã nào trên đƣờng kết nối từ mã định chọn đến gốc cây và chƣa có mã nào đƣợc sử dụng trong các nhánh cây ở phía trên mã định chọn
Chẳng hạn đối với kênh có tốc độ bit kênh bằng 1920kbit/s (tƣơng ứng với tốc độ bit cần truyền vào khoảng 960kbit/s),ta có tốc độ ký hiệu Rs=1920kbit/s/2=960kbit/2 và hệ số trải phổ SF=(3,84x103)/960=4. Nếu ta sử dụng cả bốn mã này cho một kênh đa mã thì tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt dƣợc tốc độ bit kênh là 1920kbit/s x 4 =7680kbit/s (hay Rb≈3840kbit/s)
Mã ngẫu nhiên hóa
Vì các mã Walsh có các hàm tự tƣơng quan không tối đa và các hàm tƣơng quan chéo khác không trong môi trƣờng vô tuyến phading,nên chúng không thích hợp cho các mã đa truy nhập. Để đƣợc tự tƣơng quan và tƣơng quan chéo tôt, sau khi đƣợc trải phổ bằng các mã định kênh là các mã Walsh luồng số đƣợc ngẫu nhiên hóa bằng mã ngẫu nhiên hóa để
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
nhận dạng nguồn phát. Mã ngẫu nhiên hóa ở WCDMA/FDD là một đoạn 38400cchip/10ms của mã Gold có độ dài 218-1 cho đƣờng xuống và 225-1cho đƣờng lên khi mã dài đƣợc sử dụng.
Các chuỗi mã ngẫu nhiên đƣờng xuống đƣợc cấu trúc bằng cách kết hợp hai chuỗi thực và chuỗi phức. Chuỗi thực SD,n(I)(i) đƣợc xây dựng trên cơ sở chuỗi mã Gold Clong,n(i) còn chuỗi thực SD,n(Q)(i) là phiên bản dịch 131072 chip của chuỗi mã Gold Clong,n(i). Chuỗi mã Gold Clong,n(i) đƣợc xây dựng trên cơ sở cộng modul 2 theo vị trí bit hai chuỗi m,x(i) và y(i),có đa thức tạo mã là 1 + X7 + X7 + X10 + X18 vì thế nó có độ dài là 218 -1=262143.
Quan hệ của chuỗi mã ngẫu nhiên dài cho đƣờng xuống với chuỗi Gold Clong,n(i) đƣợc xác định nhƣ sau:
SD,n(i)=SD,n(I)(i) +jSD,n(Q)(i)
= Clong,n(i) + jClong,n((i+131072)mod(218-1)) trong đó i=0,1,….,38399
Phần dƣới đây ta sẽ xét thủ tục để xác định chuỗi Clong,n(i). Hai chuỗi m x(i) và y(i) đƣợc khởi động ban đầu bằng 18 chip sau:
x(0)=1,x(1)=x(2)=…=x(16)=x(17)=0 y(0)=y(1)=…=y(16)=y(17)=1
218 -19 chip còn lại đƣợc xác định theo phƣơng trình đệ quy sau: x(i+18)=x(i+7)+x(i)mod2,i=0,….218-20
y(i+18)=y(i+10)+y(i+7)+y(i+5)+y(i)mod2, i=0,…,218-20,
Chuỗi Gold thứ n Clong,n(i)=0,1,2,…218
-2 đƣợc xác đinh nhƣ sau: Clong,n(i)=x((i+n)mod(218-1) +y(i)mod 2,i=0,….,218-2
Các chuỗi nhị phân đƣợc biến đổi vào các chuỗi giá trị Clong,n(i) lƣỡng cực bằng chuyển đổi sau:
( ) { ế ( )
Bảng 3.3.Phân cấp các mã ngẫu nhiên hóa cho đƣờng xuống Nhóm Mã sơ cấp Mã thứ cấp 0 1 2 . . . 510 511 0 16 32 . . . 8160 8176 1-15 15-31 33-47 . . . 8176-8175 8177-8191
3.3.3 Trải phổ và điều chế đƣờng lên
Trải phổ và điều chế các kênh riêng đƣờng lên
Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số liệu vật lý riêng, kênh để truyền lƣu lƣợng của ngƣời sử dụng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh đi cùng với DPDCH để mang thông tin điều khiển lớp vật lý) đƣợc minh họa trên hình 3.11
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
Một DPCCH và cực đại sáu DPDCH song song giá trị thực có thể đƣợc trải phổ và phát đồng thời. DPCCH luôn đƣợc trải phổ bằng mã Cc=Cch,256,0, trong đó k=0. Nếu chỉ một kênh DPDCH đƣợc phát trên đƣờng lên, thì DPDCH1 đƣợc trải phổ với mã Cd,1=Cch,SF,k, trong đó k=SF/4 là số mã OVSF và k=SF/4. Nghĩa là nếu hệ số trải phổ SF=128 thì k=32. Nếu nhiều DPDCH đƣợc phát, thì tất cả DPDCH đều có hệ số trải phổ là 4 (tốc độ bit kênh là 960kbps) và DPDCHn đƣợc trải phổ bởi mã Cd,n=Cch,4,k, trong đó k=1 nếu n{1,2}, k=3 nếu n{3,4} và k=2 nếu n{5,6}. Để bù trừ sự khác nhau giữa các hệ số trải phổ của số liệu, tín hiệu trải phổ đƣợc đánh trọng số bằng các hệ số khuyếch đại ký hiệu là c cho DPCCH và d cho DPDCH. Các hệ số khuyếch đại này đƣợc tính toán bởi SRNC và đƣợc gửi đến UE trong giai đoạn thiết lập đƣờng truyền vô tuyến hay đặt lại cấu hình. Các hệ số khuyếch đại nằm trong dải từ 0 đến 1 và ít nhất một trong số các giá trị của c và d luôn luôn bằng 1. Luồng chip của các nhánh I và Q sau đó đƣợc cộng phức với nhau và đƣợc ngẫu nhiên hóa bởi một mã ngẫu nhiên hóa phức đƣợc ký hiệu là Sdpch,n trên hình 3.11. Mã ngẫu nhiên hóa này đƣợc đồng bộ với khung vô tuyến, nghĩa là chip thứ nhất tƣơng ứng với đầu khung vô tuyến.
Các nghiên cứu cho thấy mọi sự phát không liên tục trên đƣờng lên có thể gây nhiễu âm thanh cho thiết bị âm thanh đặt gần máy đầu cuối di động. Thí dụ điển hình là trƣờng hợp nhiễu tần số khung (217 Hz=1/4,615ms) gây ra do các đầu cuối GSM. Để tránh hiệu ứng này, kênh DPCCH và các kênh DPDCH không đƣợc ghép theo thời gian mà đƣợc ghép theo mã I/Q (điều chế QPSK hai kênh) với ngẫu nhiên hoá phức. Minh họa trên hình 3.12 cho thấy sơ đồ điều chế này cho phép truyền dẫn liên tục ngay cả trong các chu kỳ im lặng khi chỉ có thông tin điều khiển lớp 1 để duy trì hoạt động đƣờng truyền (DPCCH) là đƣợc phát
Hình 3.12. Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số liệu vật lý riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng
Nhƣ minh họa trên hình 3.13, các mã ngẫu nhiên hóa phức đƣợc tạo ra bằng cách quay pha giữa các chip trong một chu kỳ ký hiệu trong giới hạn 900. Bằng cách này hiệu
suất của bộ khuếch đại (liên quan đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) trong UE hầu nhƣ không đổi không phụ thụ thuộc vào tỷ số giữa DPDCH và DPCCH.
Hình 3.13. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa phức.
biểu diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH
DPCCH và các DPDCH có thể đƣợc ngẫu nhiên hóa bằng các mã ngẫu nhiên dài hoặc ngắn. Có 224 mã ngẫu nhiên hóa dài đƣờng lên và 224 mã ngẫu nhiên ngắn đƣờng lên. Vì có thể sử dụng đƣợc hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã đƣờng lên. Số mã ngẫu nhiên cho DPCH (0,…., 16777215), cùng với SF thấp nhất đƣợc phép của mã định kênh (4, 8, 16, 32, 128 và 256) cho phần số liệu đƣợc ấn định bởi các lớp cao hơn, chẳng hạn khi thiết lập kết nối RRC hoặc khi điều khiển chuyển giao
Trải phổ và điều chế kênh chung đƣờng lên PRACH
Trải phổ và ngẫu nhiên hóa phần bản tin PRACH đƣợc minh họa trên hình 3.14.
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
Phần điều khiển của bản tin PRACH đƣợc trải phổ bằng mã định kênh Cc=Cch,256,m, trong đó m=16.s+15 và s (0s15) là chữ ký tiền tố và phần số liệu đƣợc trải phổ bằng mã định kênh Cd=Cch,SF,m, trong đó SF (có giá trị từ 32 đến 256) là hệ số trải phổ sử dụng cho phần số liệu và m=SF.s/16.
Phần bản tin PRACH luôn luôn đƣợc trải phổ bằng mã ngẫu nhiên hóa dài. Độ dài của mã ngẫu nhiên hóa đƣợc sử dụng cho phần bản tin là 10ms. Có tất cả là 8192 mã ngẫu nhiên hóa.
3.3.4 Trải phổ và điều chế đƣờng xuống
Sơ đồ trải phổ và điều chế đƣờng xuống
Quá trình trải phổ và điều chế đƣờng xuống đƣợc biểu diễn nhƣ hình 3.15
Các SCH (kênh đồng bộ), mỗi cặp hai bit kênh trƣớc hết đƣợc biến đổi từ nối tiếp vào song song tƣơng ứng một ký hiệu điều chế, sau đó đƣợc đặt lên các nhánh I và Q. Sau đó các nhánh I và Q đƣợc trải phổ đến tốc độ 3,84Mcps bằng cùng mỗi mã dịnh kênh Cch,SF,m. Các chuỗi chip giá trị thực trên các nhánh I và Q sau đó đƣợc ngẫu nhiên hóa bằng mã ngẫu nhiên hóa phức để nhận dạng nguồn phát nút B, mã này đựợc ký hiệu là Sdl,n trên hình 3.12. Mã ngẫu nhiên hóa này đƣợc đồng bộ với mã ngẫu nhiên hóa sử dụng cho P-CCPCH (kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp), trong đó chíp phức đầu tiên của khung P-CCPCH đƣợc nhân với chip số 0 của mã ngẫu nhiên hóa này
Sau trải phổ, mỗi kênh vật lý đƣờng xuống (trừ các SCH) đƣợc đánh trọng số bằng các hệ số trọng số riêng ký hiệu là Gi nhƣ trên hình 3.15. P-SCH và S-SCH giá trị phức đƣợc đánh trọng số riêng bằng các hệ số trọng số Gp và Gs. Tất cả các kênh đƣờng xuống đƣợc kết hợp với nhau bằng cộng phức. Chuỗi nhận đƣợc sau trải phổ và ngẫu nhiên hóa đƣợc điều chế QPSK
Các mã trải phổ đƣờng xuống
Trên đƣờng xuống, cùng các mã định kênh nhƣ trên đƣờng lên (mã OVSF) đƣợc sử dụng. Thông thƣờng mỗi ô chỉ có một cây mã và mỗi cây mã đƣợc đặt dƣới một mã ngẫu nhiên hóa để dùng chung cho nhiều ngƣời sử dụng. Theo quy đinh, các mã định kênh dùng cho P-CPICH (kênh hoa tiêu chung sơ cấp) và P-CCPCH là Cch,256,0 và Cch,256,1. Bộ quản lý tài nguyên trong RNC ấn định các mã định kênh cho tất cả các kênh khác với giới hạn SF=512 trong trƣờng hợp sử dụng chuyển giao phân tập.
Mã OVSF có thể thay đổi theo từng khung trên kênh PDSCH (kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý). Quy tắc thay đổi nhƣ sau, mã (các mã) OVSF đƣợc sử dụng cho kết nối phía dƣới hệ số trải phổ nhỏ nhất là mã từ nhánh cây, mã nhánh cây mã đƣợc chỉ ra bởi hệ số trải phổ thấp nhất này. Nếu DSCH đƣợc sắp xếp lên nhiều PDSCH song song, thì quy tắc tƣơng tự đƣợc áp dụng, nhƣng tất các nhánh mã đƣợc sử dụng bởi các mã này tƣơng ứng với hệ số trải phổ nhỏ nhất đều có thể sử dụng cho ấn định hệ số trải phổ cao hơn. Các mã ngẫu nhiên hóa đƣờng xuống
Trên đƣờng xuống chỉ có các mã ngẫu nhiên hóa dài là đƣợc sử dụng. Có cả thẩy 218- 1=262143 mã ngẫu nhiên đƣợc đánh số từ 0 đến 262142. Các chuỗi mã ngẫu nhiên đƣợc ký hiệu là Sdl,n đƣợc cấu trúc bằng các đoạn của chuỗi Gold. Để tăng tốc quá trình tìm ô, chỉ 8192 mã trong số 262143 đƣợc sử dụng trong thực tế và đƣợc cắt ngắn lấy đoạn đầu 38400 chip để phù hợp với chu kỳ khung 10 ms. Nhƣ minh họa trên hình 3.16, chỉ có các mã với n=0,1,…, 8191 đƣợc sử dụng. Các mã này đƣợc chia thành 512 tập. Mỗi tập gồm 16 mã (i=0…15) với một mã sơ cấp và 15 mã thứ cấp. 8 tập (i=0…7) với 8x16 mã hợp thành một nhóm tạo nên 64 nhóm (j=0…63).
Đồ án tốt nghiệp Chương III. Hệ thống WCDMA
Hình 3.16. Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp
Ghép kênh đa mã đƣờng xuống
Để tăng dung lƣợng kênh đƣờng xuống ta có thể sử dụng sơ đồ ghép kênh đa mã nhƣ cho ở hình 3.17.
3.4. QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP CUỘC GỌI
3.4.1.Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH
Hình 3.18 biểu diễn các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói
a)Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH b) Quá trình truy nhập CPCC
UE Nút B UE Nút B AP(tiền tố truy nhập) CSICH (chỉ thị trạng thái CPCH)
Ok AP (tiền tố truy nhập) Ok AICH (Chỉ thị bắt) AP-AICH (chỉ thị bắt tiền tố truy nhập)
PRACH (bản tin truy nhập ngẫu nhiên) CD (tiền tố phát hiện va chạm)
CD/CA-ICH (phát hiện va chạm/ấn định kênh) PCPCH (kênh gói chung)
Hình 3.18. Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói
Các trủ tục truy nhập ngẫu nhiên trên hình 3.18a nhƣ sau. UE khởi xƣớng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH bằng cách phát đi một AP (tiền tố truy nhập). Nếu chấp nhận (OK), nút B phát AICH (chỉ thị phát hiện bắt) đến UE. Sau đó UE có thể phát bản tin trên kênh RACH (kênh truy nhập ngẫu nhiên).
Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên CPCH nhƣ hình 3.18b. Dựa trên thông tin khả dụng của từng kênh PCPCH do CSICH thông báo, UE khởi xƣớng thủ tục truy nhập CPCH trên kênh chƣa sử dụng bằng cách phát đi một AP (tiền tố truy nhập). Nếu đƣợc nút B chấp nhận (OK) UE phát đi một CP (tiền tố phát hiện va chạm) để thông báo rằng nó đã chiếm kênh này. Cuối cùng nút B phát đi CD/CA-ICH (chỉ thị phát hiện va chạm và ấn định kênh) đến UE. Sau đó UE có thể phát gói trên kênh CPCH (kênh gói chung)
3.4.2 Quá trình thiết lập cuộc gọi sử dụng các kênh logic và truyền tải
Đầu tiên UE sử dụng kênh logic CCCH truyền trên kênh truyền tải RACH để yêu cầu đƣờng truyền báo hiệu (RRC). RNC trả lời bằng kênh logic CCCH trên kênh truyền tải FACH. Sau khi có kết nối RRC, UE sẽ trao đổi báo hiệu với RNC qua kênh logic DCCH trên kênh truyền tải DCH. Sau khi nhận đƣợc lệnh "truyền trực tiếp" từ UE, RNC phát lệnh yêu cầu dịch vụ CM (Connection Management: quản lý kết nối) trên giao thức