Chương 2 Truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS
2.1 Kỹ thuật đa truy nhập
2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập băng rộng
Các nhược điểm và giới hạn của kỹ thuật đa truy nhập băng hẹp đã được khắc phục bằng thuật đa truy nhập băng rộng. Ở đây, toàn bộ băng thông được dành cho người dùng, ngay cả khi nó lớn hơn băng thông tối thiểu cần thiết để truyền thông tin. Đó chính là điểm chính của kỹ thuật CDMA đa truy nhập – phân chia theo mã.
Kỹ thuật CDMA khác so với hai kỹ thuật cơ bản ở trên, nó cho phép người dùng sử dụng được ở cùng một tần số và cùng một thời điểm. Hệ thống sẽ phân chia người dùng bằng cách gán cho mỗi người một mã khác nhau.
Thông qua các mã khác nhau, thông tin người dùng sẽ được mã hóa duy nhất và do đó phân biệt được với các người dùng khác. Tài nguyên cơ bản ở đây là các mã. Các tín hiệu ứng với một người dùng sắp được truyền đi sẽ được nhân với
một đoạn mã đặc biệt duy nhất ứng với người đó. Quá trình này được gọi là quá trình trải phổ. Tốc độ của đoạn mã được gọi là tốc độ chip, và tốc độ này cao hơn tốc độ thông tin rất nhiều lần. Các bit nhận được sau quá trình trải phổ được gọi là chips. Các mã gán cho các người dùng được lựa chọn sao cho có rất ít sự tương quan giữa chúng. Kết quả là với điều kiện lý tưởng, quá trình thu nhận lại thông tin người dùng, quá trình giải trải phổ, sẽ loại bỏ tất cả các hiệu ứng nhiễu và thu nhận lại dúng tín hiệu cần thiết.
Hệ thống UMTS sẽ sử dụng phương thức CDMA. Đây là một kỹ thuật cải tiến từ CDMA cho phép có nhiều ưu điểm hơn GSM. Các đặc điểm của WCDMA bao gồm:
• Tốc độ bit có thể đạt được 2 Mbps
• Tốc độ bit thay đổi tuỳ theo yêu cầu độ rộng băng thông
• Các dịch vụ có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau có thể ghép được lên trên một kết nối, như thoại, video, và dữ liệu gói
• Trễ được xử lý động từ các yêu cầu dịch vụ thoại với thời gian thực tới các dịch vụ chuyển mạch gói.
• Yêu cầu chất lượng dịch vụ trong một khoảng rộng, từ 10% FER tới 10-6 BER.
• Khả năng đồng qui hoạch với các hệ thống 2G và chuyển giao giữa chúng giúp cho việc mở rộng vùng phủ sóng và chia tải.
• Hỗ trợ lưu lượng không đối xứng giữa đường lên và đường xuống, ví dụ khi dịch vụ trình duyệt web sử dụng thì lưu lượng đường xuống cao hơn đường lên.
• Hiệu quả sử dụng phổ cao.
• Khả năng đồng qui hoạch giữa FDD và TDD.
Ta có thể tham khảo bảng 2.1 để so sánh sự khác biệt chính giữa hai hệ thống GSM và WCDMA. Có thể thất rõ ưu điểm nổi bật nhất của WCDMA là tốc độ bit dữ liệu cao, linh hoạt đáp ứng được không chỉ các nhu cầu dịch vụ
thoại mà còn cả các dịch vụ đa phương tiện như duyệt web, các dịch vụ số kliệu khác. Ngoài ra hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ WCDMA còn có hệ số sử dụng lại tần số là 1. Điều này không thể có trong hệ thống di động thế hệ thứ 2 GSM.
WCDMA GSM
Khoảng cách giữa các sóng mang
5 MHz 200 KHz
Hệ số sử dụng lại tần số
1 1-18
Điều khiển chất lượng dịch vụ
Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến
Quy hoạch mạng( thiết kế tần số)
Tính đa dạng của tần số
5 MHz độ rộng băng cho phép đa dạng tần số dựa vào các bộ thu RAKE
Nhảy tần
Dữ liệu gói Dựa trên tải Các TS được ấn định cho các dịch vụ này với GPRS Phân tập phát Hỗ trợ để tăng lưu lượng đường
xuống
Không hỗ trợ bởi chuẩn
Bảng 2.1 Sự khác nhau giữa W-CDMA và GSM
WCDMA CDMA
Khoảng cách giữa các sóng mang
5 MHz 1.25 MHz
Tốc độ chip 3.84Mcps 1.2288 Mcps
Tần suất điều khiển công suất
1500 Hz cho cả đường lên và xuống
Đường lên là 800 Hz, cón đường xuống điều khiển chậm
Đồng bộ BS Không yêu cầu Yêu cầu
Chuyển giao giữa các tần số
Hỗ trợ Có thể nhưng không được chuẩn hoá
Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả
Hỗ trợ Không yêu cầu do chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại
Dữ liệu gói Dựa vào tải Truyền dẫn dữ liệu gói như các cuộc gọi ngắn.
Phân tập phát Hỗ trợ để tăng lưu lượng đường xuống
Không hỗ trợ bởi chuẩn
Bảng 2.2 So sánh giữa W-CDMA và CDMA 2.1.2.1 Kỹ thuật trải phổ và điều chế
Nguyên tắc của trải phổ và điều chế được minh họa trên hình 2.2. Phần phát và phần thu được chia thành hai thành phần. Phần phát bao gồm bộ điều chế và trải phổ. Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế tín hiệu cơ sở băng hẹp Sn với độ rộng băng Wi, dãy tín hiệu cơ sở có độ dài n bit này được tạo thành các khối dấu hiệu (symbol) có độ dài 2n bit và băng tần như tín hiệu cơ sở ban đầu.
Bước thứ hai là trải phổ, tại đây tín hiệu băng hẹp cơ sở sẽ được trải phổ thành tín hiệu băng rộng, mà độ rộng của Wc lớn hơn Wi rất nhiều bằng cách nhân tín hiệu thông tin với .
Hình 2.2.Nguyên tắc chung của trải phổ và điều chế.
Ta ký hiệu tín hiệu đã được trải phổ là sW, và quá trình trải phổ là ε().
Sau đó tín hiệu được truyền trên kênh truyền dẫn và bị tác động bởi nhiễu và tạp âm, ở đây ta ký hiệu là i(t) và n(t). Điều quan trọng cần chú ý ở đây là dải thông để truyền tín hiệu lớn hơn rất nhiều so với dải thông cần thiết.
Ta gọi tỷ số giữa độ rộng băng tần của bộ diều chế và độ rộng băng tần của tín hiệu cần truyền là độ lợi xử lý (Processing Gain) – PG:
(2.1) Ta thường biểu diễn PG theo dB = 10lg(PG) [dB]
Vì Wc lớn hơn Wi rất nhiều lần nên dải thông để truyền tín hiệu đi trên thực tế là rất lớn. Giá trị của PGcó thể từ vài lần đến vài trăm lần.
Tỷ số giữa số lượng chip được đưa vào bộ trải phổ ứng với một bit thông tin thực tế được định nghĩa là hệ số trải phổ (Spreading Factor). Trong hệ thống UMTS, hệ số này tỷ lệ với độ dài của chuỗi số dùng để phân biệt các thuê bao với nhau.
Chúng ta cần phân biệt độ lợi xử lý PG và hệ số trải phổ SF. Hệ số trải phổ chỉ liên quan tới duy nhất quá trình trải phổ tức là quá trình nhân tín hiệu thông tin với một chuỗi bit duy nhất phân biệt giữa các người dùng. Trái lại, độ lợi xử lý PG bao gồm cả các quá trình xử lý tín hiệu từ thông tin đầu vào băng hẹp đến tín hiệu băng rộng được phát ra trên anten. Như vậy các thông tin như mã sửa lỗi (Error Correction Codes), các thuật toán điều chế tín hiệu cùng với quá trình trải phổ đều nằm trong độ lợi xử lý PG. Như vậy độ lợi xử lý có liên quan tới khả năng của kỹ thuật CDMA trong việc giảm nhiễu (interference), trong khi đó hệ số trải phổ lại liên quan tới số chuỗi số được dùng để phân biệt các thuê bao và do đó ảnh hưởng tới số thuê bao tối đa có thể phục vụ. Một hệ
thống trải phổ có hệ số trải phố càng lớn thì khả năng lọc nhiễu của nó càng cao. Trong WCDMA thì Wc là 3,84 Mcps và độ rộng băng tần là 5 MHz.
Hình 2.3 Sơ đồ khối khối trải phổ và giả trải phổ
Tại đầu thu tín hiệu thu được đầu tiên sẽ được giải điều chế nén phổ. Sau đó tín hiệu sẽ được giải trải phổ, đây là quá trình ngược lại của quá trình trải phổ tại đầu phát, tín hiệu băng rộng Sw sẽ được nén ngược trở lại thành tín hiệu có băng tần hẹp, quá trình nén này chúng ta kỹ hiệu là ε-1()=ε(). Quá trình này được thục hiện bằng cách nhân tín hiệu với chuỗi mã băng rộng. Sau quá trình này sẽ thu được tín hiệu nguyên gốc ban đầu.
Đầu tiên quá trình trải phổ và nén phổ chỉ có mục đích để tín hiệu có khả năng truyền dẫn theo phương pháp đa truy nhập theo mã CDMA, nhưng trong quá trình trải phổ tín hiệu chúng ta đã thu được tín hiệu băng rộng với nhiều tín năng khác với tín hiệu băng hẹp. Ta sẽ đề cập tới ở những mục tiếp theo sau các đặc trưng của quá trình trải phổ.
2.1.2.2 Tác động của nhiễu băng hẹp
Phương thức giải trải phổ có tác động tốt tới nhiễu băng hẹp, chúng ta có thể thấy thông qua hình 2.4. Giả sử có nhiễu băng hẹp phát sinh trong quá trình truyền tín hiệu. Ở đầu thu, ta cần giải trải phổ để thu được tín hiệu thông tin cần lấy. như đã đề cập ở trên, quá trình giải trải phổ thực chất là nhân tín hiệu thu
được với chuỗi mã nhận dạng duy nhất. Quá trình này về nguyên lý giống hệt như quá trình trải phổ. Như vậy tại quá trình trải phổ, cùng lúc tín hiệu mong muốn được giải trải phổ thì nhiễu lại được nhân với dòng bit tốc độ cao và do đó được trải phổ và giảm mật độ phổ công suất. Bằng cách sử dụng một bộ lọc thông thấp, ta có thể thu được tín hiệu thông tin đồng thời công suất nhiễu cũng được giảm đi tương đương với độ lợi xử lý PG. Điều này được thể hiệu trên hình 2.4.
Ta ký hiệu tín hiệu thu tại đầu thu là Sw bao gồm tín hiệu phát Sn và tín hiệu nhiễu băng hẹp in , khi đó quá trình nén tín hiệu tại đầu thu có thể được miêu tả như sau:
(2.2)
Như vậy quá trình nén tín hiệu tại đầu thu trong hệ thống trải phổ sẽ biến tín hiệu thu được thành tổng hai tín hiệu: tín hiệu mong muốn băng hẹp và tín hiệu nhiễu băng hẹp trên đường truyền băng rộng. Do vậy nếu sau bộ nén tín hiệu ta cho tín hiệu di qua bộ lọc có độ rộng băng là độ rộng của tín hiệu mong muốn Wi thì kết quả thu được sẽ là:
(2.3)
Từ công thức trên ta nhận thấy chỉ có một phần rất nhỏ tín hiệu nhiễu băng hẹp được đi qua bộ lọc do độ rộng băng trải phổ tín hiệu Wc lớn hơn rất nhiều độ rộng băng tần của tín hiệu phát. Tức là khả năng chống nhiễu trong hệ thống trải phổ đã được cải thiện đáng kể. Ta gọi tỷ số giữa độ rộng băng tần của bộ diều chế và độ rộng băng tần của tín hiệu cần truyền là độ lợi xử lý (Processing Gain) – PG:
(2.4)
Ta thường biểu diễn PG theo dB = 10lg(PG)
Hình 2.4 Tác động quá trình giải trải phổ đến nhiễu băng hẹp
Wc còn được gọi là tốc độ chip (Chip Rate) và Wi là tốc độ dữ liệu cần truyền (carrier raster). Độ lợi xử lý còn được gọi là hệ số trải phổ SF (Spreading Factor), nó có tầm quyết định quan trọng trong việc giảm nhiễu băng hẹp phát sinh trên đường truyền.
2.1.2.3 Mã định kênh
Để phân biệt tín hiệu truyền dẫn từ các nguồn khác nhau như từ các đường lên và đường xuống của các thuê bao. Trong WCDMA người ta dùng các mã định kênh, các mã này được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Việc sử dụng
OVSF cho phép lựa chọn các hệ số trải phổ khác nhau và đảm bảo tính trực giao giữa các mã trải phổ có độ dài khác nhau (xem hình 2.4).
c1,1 = (1)
c2,1 = (1,1)
c2,2 = (1,-1)
c4,1 = (1,1,1,1)
c4,2 = (1,1, -1, -1)
c4,3 = (1,-1,1,-1)
c4,4 = (1, -1, -1,1)
SF = 1 SF = 2 SF = 4
Hình 2.5 Cấu trúc cây mã định kênh
Các mã định kênh trong hình được ký hiệu là Cch, SK, k, trong đó ch là kênh, SF là hệ số trải phổ và k là số thứ tự mã nằm trong khoảng 0<= k <= SF- 1. Mỗi lớp của cây cung cấp các mã định kênh có hệ số trải phổ như nhau. Khi kết nối sử dụng OVSF, nếu mã được lựa chọn đúng thì nén phổ sẽ được thực hiện theo hệ số trải phổ nhỏ nhất. Để thực hiện điều này chỉ cần chọn các mã định kênh trên cây từ nhánh được chỉ thị bởi mã có hệ số trải phổ nhỏ nhất. Cần phải chú ý khi chọn các mã định kênh để truyền dẫn cho một nguồn, là kênh vật lý chỉ có thể sự dụng một mã trong cây nếu không có kênh vật lý nào khác đang sử dụng một mã ở nhánh duới, nói một cách khác khi lựa chọn một mã định kênh trên cây thì cây phụ sẽ bị chặn tức là không thể sử dụng một hệ số trải phổ nhỏ hơn trên đường dẫn tới gốc mã.
2.1.2.4 Mã giả ngẫu nhiên
Mã định kênh chỉ có thể sử dụng một cách hiệu quả khi khi các kênh được đồng bộ hóa chính xác tới mức bit. Sự mất tương quan chéo, ví dụ có tác động đa đường, sẽ được bù lại trong WCDMA bằng quá trình ngẫu nhiên. Mã ngẫu nhiên trong ô trên đường xuống và các thuê bao khác nhau trên đường lên
thì khác nhau. Mã hóa ngẫu nhiên có tính tương quan tốt, chúng không ảnh hưởng đến độ rộng băng tần.