DI ĐỘNG WCDMA
1.5.2. Các kênh truyền tải
Các kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và cá kênh chung. Điểm khác nhau giữa chúng là kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hay một nhóm người sử dụng trong ô, còn kênh riêng được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá), FACH (Forward Access
Channel: Kênh truy nhập đường xuống), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), RACH (Random Access Channel: Khênh truy nhập ngẫu nhiên), CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung), DSCH (Dowling Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống). Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Deicated Channel: Kênh riêng). Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng được cho ở bảng 1.4.
Bảng 1.4 Danh sách các kênh truyền tải
Kênh vật lý Ứng dụng
DCH (Deicated Channel: Kênh riêng)
Kênh hai chiều để phát số liệu của người sử dụng. Được ấn định riêng cho người sử dụng. Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhan.
BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá)
Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (như thông tin hệ thống, thông tin ô)
FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống)
Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn.
PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi)
Kênh chung đường xuống để phát tín hiệu tìm gọi RACH (Random Access
Channel: Khênh truy nhập ngẫu nhiên)
Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp của người sử dụng.
CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung)
Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng. Áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm.
DSCH (Dowling Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống)
Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói. Chia sẽ cho nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao.
Hình 1.6. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 1.5.3. Các kênh vật lý
Mỗi kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên). Kênh vật lý bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical Channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Các kênh vật lý được tổng kết ở hình 1.7 và bảng 1.5
Hình 1.7. Tổng kết các kiểu kênh vật lý
Tên kênh Ứng dụng
DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng)
Kênh hai chiều đường xuống/ đường lên được ấn định riêng cho UE. Gồm DPDCH (Deicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng) và DPCCH (Deicated Physical Control Channel: kênh vật lý điều khiển riêng). Trên đường xuống DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian còn trên đường lên được ghép theo pha kênh 1 và pha kênh 0 sau điều chế BPSK
DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng)
Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một DPDCH. Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn
DPCCH (Dedicated
Physical Control Channel: kênh vật lý điều khiển riêng)
Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPDCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất(TPC: Transmission Power Control), chỉ kết hợp khuôn dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của ăng ten thích ứng có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều dịch vụ số liệu được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp (FBI: Freeback Infomation) ở đường lên để đảm bảo vòng hổi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa
PRACH (Physical
Random Access Channel: Khênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)
Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải RAC.
Common Packet Channel: kênh vật lý gói chung)
truyền tải CPCH CPICH ( Common Pilot
Channel: Kênh hoa tiêu chung)
Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: P- CPICH (Primary CPICH: CPICH thứ cấp) và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được toàn bộ SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh này không có hoa tiêu riêng như ở trường hợp DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng ăng ten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S- CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH và các kênh DPCH đường xuống.
P-CCPCH (Primary
Common Control Physical Channel: Khênh vật lý điều khiển chung sơ cấp)
Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền BCH.
S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Khênh vật lý điều khiển chung thứ cấp)
Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có thể có một hay nhiều S-CCPCH. Được sử dụng để truyền BCH và FACH.
SCH(Synchorronization Channel: Kênh đồng bộ)
Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô.
PDSCH (Physical
Dowling Shared channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống)
Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc không có). Được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH
AICH (Acquisition Indication Channel: kênh chỉ thị bắt)
Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH PICH (Page Indication
Channel: kênh chỉ thị tìm
Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi kênh này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi cho
gọi) từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH
AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh chỉ thị tiền tố truy nhập)
Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH
CD/CA-ICH (CPCH Collision Detection/ Channel Asignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ ấn định kênh)
Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển va chạm cho PCPCH
CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH)
Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH.
Các kênh truyền tải được sắp xếp lên các kênh vật lý như trên hình 1.8
Hình 1.8. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
Hình 1.9 cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khỗi truyền tải tại phía thu.
Hình 1.9. Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
1.6. Kết luận
Trong chương này đồ án đã trình bày nền tảng cấu trúc và chức năng của mạng WCDMA. Các bước phát triển của kiến trúc 3G WCDMA cho thấy sự phát triển tiếp theo là kiến trúc mạng đa phương tiện IP. Nó là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu. Tiếp theo chương này đề cập đến giao diện vô tuyến và các kênh logic, truyền tải, vật lý được tạo nên ở giao diện này. Cuối cùng, đồ án đã đưa ra đầy đủ và tổng hợp nhất về các loại kênh trong WCDMA cũng như cách sắp xếp của các kênh này trong giao diện vô tuyến.
Các phần sau đây trình bày đến các biện pháp phân tập hiện nay đang áp dụng trong thông tin vô tuyến. Các phương pháp này là cơ sở để cải thiện hiệu năng của WCDMA.
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
2.1. Mở đầu
Phân tập là một kỹ thuật truyền dẫn trong đó thông tin được truyền đồng thời trên nhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao. Có nhiều cách để nhận được phân tập. Phân tập thời gian có thể nhận được bằng cách mã hóa và đan xen. Thông tin được mã hóa và các ký hiệu mã hóa này được truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác nhau sao cho các phần khác nhau của từ mã chỉ bị tác động của các phađinh độc lập. Trong kênh có nhiều anten phát và/hoặc anten thu được đặt đủ cách xa nhau, ta cũng có thể nhận được phân tập không gian. Trong mạng thông tin tổ ong di động, có thể áp dụng phân tập vĩ mô bằng cách cho phép máy di động nhận được tín hiệu từ hai hay nhiều trạm gốc. Vì phân tập là một tài nguyên quan trọng nên các hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều kiểu phân tập khác nhau. Trong chương này ta sẽ xét phân tập thời gian và phân tập không gian, trong đó trọng tâm là phân tập không gian.
Phân tập anten hay phân tập không gian có thể được thực hiện bằng cách đặt nhiều anten tại máy phát hay máy thu. Nếu các anten được đặt đủ cách xa nhau, thì khuyếch đại kênh giữa các cặp anten khác nhau sẽ bị pha đinh khác nhau và các đường truyền sẽ độc lập với nhau. Khoảng cách cần thiết giữa các anten phụ thuộc vào môi trường tán xạ địa phương và vào tần số. Đối với máy di động do gần mặt đất có nhiều các vật tán xạ kênh sẽ ít tương quan trên các khoảng cách ngắn hơn vì thế thông thường chỉ cần khoảng cách giữa hai anten vào khoảng 1/2 bước sóng là đủ. Đối với trạm gốc anten được đặt trên các tháp cao, ta cần khoảng cách giữa hai anten lớn hơn: khoảng vài chục bước sóng.
Với mục đích và phạm vi nghiên cứu của đồ án, chương này được được trình bày như sau: phần 2.2 giới thiệu về khái niệm và mô hình của các kỹ thuật phân tập thu. Phần 2.3 trình bày về các kỹ thuật phân tập phát trong thông tin vô tuyến. Phần 2.4 trình bày tổng quan về MIMO phân tập và các sơ đồ kết hợp điển hình.
2.2. Phân tập thu
Các kỹ thuật phân tập thu được sử dụng để giảm pha đinh và cải thiện độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát và độ rộng băng tần.
Ý niệm cơ bản của phân tập thu là nếu hai mẫu tín hiệu độc lập, thì các mẫu này sẽ bị pha đinh không tương quan. Điều này có nghĩa là xác suất tất cả các mẫu này đồng thời
thấp hơn một mức nhất định sẽ thấp hơn nhiều so với xác suất của một mẫu riêng lẽ. Như vậy, nếu ta kết hợp các mẫu một cách hợp lý thì ta sẽ được tín hiệu tổng hợp ít bị ảnh hưởng của pha đinh hơn nhiều so với so với một tín hiệu đơn lẽ. Tồn tại nhiều kiểu phân tập khác nhau: thời gian, tần số, không gian, góc, đa tia, phân cực.
Trong thực tế, các kỹ thuật phân tập thu có thể được áp dụng ở trạm gốc BS hoặc ở máy di động MS mặc dù mọi kiểu áp dụng đều có các vấn đề riêng. Thông thường máy thu phân tập chỉ được sử dụng ở trạm gốc vì giá thành của của bộ kết hợp phân tập cao, nhất là khi sử dụng nhiều máy thu. Ngoài ra, công suất phát của MS bị giới hạn bởi tuổi thọ của ắc-quy. BS có thể tăng công suất phát hoặc độ cao ăng ten để cải thiện vùng phủ sóng cho MS. Thông thường, các hệ thống phân tập được sử dụng ở máy thu chứ không ở máy phát vì không cần thêm năng lượng cho hệ thống phân tập thu. Do tính đảo lẫn giữa đường truyền tuyến lên và tuyến xuống nên các hệ thống phân tập thực hiện ở MS cũng giống như các hệ thống phân tập ở BS.
Như đã đề cập ở trên, có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập không gian, phân tập góc, phân tập đa đường và phân tập phân cực. Để nhận được lợi ích toàn diện của phân tập phát, sự kết hợp phải được thực hiện ở phía thu. Các bộ kết hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ và pha cho các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu vào phải được cộng theo véc-tơ còn tạp âm thì cộng ngẫu nhiên. Như vậy, khi lấy trung bình tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR đầu ra sẽ lớn hơn đầu vào ở một máy thu.
2.2.1. Phân tập vĩ mô
Phân tập vĩ mô được sử dụng để giảm pha đinh phạm vi lớn gây ra do che tối. Do sự thay đổi của địa hình (đồi, núi, các vật chắn,…) giữa các máy thu BS và máy phát MS, cường độ tín hiệu trung bình địa phương thay đổi. Nếu sử dụng hai ăng ten thu cách biệt, bộ kết hợp tín hiệu từ hai ăng ten này của máy thu BS có thể giảm pha đinh dài hạn. Các hệ thống di động tổ ong đạt được như vậy bằng cách chuyển giao khi cường độ tín hiệu thu yếu. Với các hệ thống WCDMA, phân tập vĩ mô (chuyển giao mềm) đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hệ thống vì tái sử dụng tần số bằng một và điều khiển công suất nhanh.
Ở đường lên, phân tập vĩ mô rất có lợi vì càng nhiều BS tách tín hiệu thì xác suất đạt được ít nhất một tín hiệu tốt càng cao. Khi này phân tập mang tính chọn lọc: mạng sẽ chọn ra một khung tốt nhất thu được từ các máy thu của các BS.
Ở đường xuống, phân tập vĩ mô xảy ra theo cách khác vì chỉ một máy thu ở MS thu nhiều tín hiệu từ các BS khác nhau. Thông thường, chỉ một tín hiệu chỉ coi là hữu ích còn các tín hiệu khác được coi là nhiễu. Tuy nhiên ở CDMA dung lượng được cải thiện trên nguyên lý giống như máy thu RAKE ở kênh đa tia, trong đó sự thay đổi mức thu có khuynh hướng giảm vì tăng số đường truyền có thể phân biệt được. Với phân tập vĩ mô, khả năng máy thu RAKE đạt được độ lợi từ phân tập bổ sung phụ thuộc vào các chốt RAKE. Nếu máy thu không thể thu thập đủ năng lượng từ hai hay ba BS do chốt RAKE có hạn, các đường truyền dẫn bổ sung đến MS có thể ảnh hưởng xấu đến tổng dung lượng do nhiễu tăng. Đây là lý do mà thông thường số chốt RAKE cần thiết để thu được đủ năng lượng trong hầu hết trường hợp được coi là bốn.
2.2.2. Phân tập vi mô
Phân tập vi mô sử dụng hai hay nhiều ăng ten cùng một trạm nhưng được thiết kế để thu các tia khác nhau từ các trạm khác. Phân tập vĩ mô được sử dụng để phòng ngừa pha đinh sâu. Dưới đây là các phương pháp sử dụng để nhận được các tín hiệu không tương quan cho việc kết hợp.
2.2.2.1. Phân tập không gian
Trong phân tập không gian tín hiệu đồng thời được truyền trên nhiều đường khác nhau. Nếu các ăng ten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần (microdiversity). Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa (macrodiversity). Hai ăng ten đặt cách nhau một khoảng ngắn d có thể cung cấp hai tín hiệu với tương quan giữa các pha đinh thấp. Khoảng cách d phụ thuộc vào độ cao ăng ten
h và tần số. Tần số càng cao thì phải đặt các ăng ten gần nhau hơn do suy hao lớn. Thông thường, khoảng cách d bằng vài bước sóng là đủ để nhận được các tín hiệu không tương quan.
Phân tập không gian là dạng phân tập được sử dụng phổ biến nhất ở thông tin di động. Các hệ thống thông tin di động FDMA và TDMA sử dụng FDD (ghép kênh song