Mã trải phổ và quá trình đồng bộ mã trải phổ

3.3.3.1 Trải phổ và ngẫu nhiên hóa:

Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu nhằm tăng độ rộng băng tần của tín hiệu phát và chống nhiễu, còn quá trình ngẫu nhiên hoá được sử dụng để phân biệt các UE và các trạm cơ sở BS. WCDMA, quá trình trải phổ được thực hiện bằng các mã định kênh OVSF (dùng để trải phổ lần đầu, thay đổi tốc độ bitrate -> chiprate). Các mã này là mã trực giao độ dài khả biến (OVSF-Orthogonal Variable Spreading Factor), nên phân biệt được các kênh của cũng một user. Quá trình ngẫu nhiên hoá được thực hiện bằng các mã ngẫu nhiên hoá PN. Ngẫu nhiên hoá được thực hiện sau khi trải phổ nên độ rộng băng tần của tín hiệu không thay đổi nhưng cho phép phân biệt các tín hiệu từ các nguồn khác nhau.

● Các mã định kênh OVSF Cch,1,0=(1) Cch,4,1=(1,1,-1,-1) Cch,4,0=(1,1,1,1) Cch,2,0=(1,1) Cch,4,3=(1,-1,-1,1) Cch,4,2=(1,-1,1,-1) Cch,2,1=(1,-1) Hình 3.3 Mã OVSF

Hai code được gọi là trực giao nếu tích trong của chúng bằng 0. Trong trường hợp 2 code có dạng 1, -1 ví dụ như (1, 1, 1, 1) và (1, 1, -1, -1) là trực giao:

Nói chính xác hơn rằng 2 codes trực giao với nhau là 2 codes có hàm tương quan giữa chúng bằng 0. Nghĩa là chỉ nhân với nhau thì chưa đủ mà còn phải lấy tích phân trên cả chu kỳ của tín hiệu mang tin (Ts) nữa.

Truyền dẫn từ các nguồn khác nhau như: các kết nối đường xuống trong một đoạn ô và kênh vật lý đường lên của một UE được phân biệt bằng các mã định kênh. Các mã định kênh được xem như các mã hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF). Việc sử dụng các mã OVSF cho phép thay đổi các hệ số trải phổ khác nhau và đảm bảo tính trực giao giữa các mã trải phổ có độ dài khác nhau. Các mã định kênh Cch,SF,k (ch là kênh, SF là hệ số trải phổ và 0≤k≤SF-1) được chọn từ cây mã và cấu trúc cây mã được cho trong hình 3.2. Bắt đầu với Cch,1,0=(1),các mã OVSF có thể được tạo ra một cách liên tục trong các lớp kế tiếp (tức là SF gấp đôi). Ở lớp SF=k ,số mã OVSF đã tạo ra là k và độ duy trì giữa các mã có tổng số bằng k. Đặc biệt tính trực giao có thể được đảm bảo ngay cả giữa hai mã OVSF trong các lớp khác nhau chỉ khi không mã nào được lấy ra từ mã khác (tức là chúng có mối tương quan phân cấp trong mã cây).

Ví dụ: tính trực giao luôn được duy trì giữa Cch,2,0 và Cch,4,2 không phụ thuộc vào mẫu ký hiệu của số liệu tin tức. Khi mã Cch,2,0 được ấn định không một từ mã nào được tạo ra từ tầng thấp hơn của cậy mã Cch,2,0 có thể áp dụng được.

Ở đường xuống, các tín hiệu phát trên các kênh từ BS đến MS là các tín hiệu truyền lan đa đường và có thời gian truyền lan khác nhau do hiện tượng phản xạ bởi các công trình xây dựng , tào nhà...trên các đường truyền là khác nhau. Các kênh vật lý chia sẻ cùng một đường truyền lan sẽ có cùng phương pháp điều chế pha và biên độ. Vì thế việc sử dụng các mã OVSF giữa các kênh ghép (các kênh vật lý) chia sẻ chung một đường truyền tạo ra khả năng đảm bảo tính trực giao giữa các kênh ngay cả khi chúng không cùng SF đến khi nào chúng còn sử dụng cùng đường truyền lan. Đây là một cách hiệu quả để đạt được các đặc tính thu chất lượng cao. Việc ưu tiên sử dụng SF biến thiên giúp đạt được tỷ số công suất đỉnh trung bình ở phía phát thấp hơn so với phương pháp truyền đa mã và cũng tạo ra khả năng xậy dựng một cấu hình máy thu RAKE một dãy tại đầu cuối thu. Trong trường hợp

truyền số liệu tốc độ cao, khi đó không thể đạt được độ tin cậy ngay cả khi SF được giảm xuống đến 4 hoặc 8, lúc này phương pháp truyền dẫn đã mã sử dụng các kênh mã ghép của SF được ứng dụng. Các phương pháp truyền dẫn SF biến thiên và truyền dẫn đa mã tạo ra cho WCDMA khả năng truyền tin một cách linh hoạt trên một phạm vi rộng từ các thông tin tốc độ thấp đến thông tin tốc độ cao.

Ví dụ: 1 user có thể sử dụng đến 6 kênh DPDCH nên gọi là đa mã, mỗi kênh DPDCH có hệ số trải phổ từ 4 đến 256 nên gọi là khả biến. Các mã này là mã trực giao độ dài khả biến (OVSF), nên phân biệt được các kênh của cũng một user. Tốc độ 2 Mbps sẽ có được nhờ hệ số trải phổ = 4, dùng 6 kênh DPDCH và mã kênh truyền là mã chập tốc độ 1/3: 3,84 Mc/s x 1/4 x 6 x 1/3 = 1,92 Mb/s.

Mã ngẫu nhiên

Mã ngẫu nhiên hay còn gọi là các chuỗi mã giả tạp âm PN được sử dụng để phân biệt các đường truyền dẫn từ các người sử dụng khác nhau.

Mã ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định nên được gọi là mã giả ngẫu nhiên

Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR: Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR.

Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) :

( )

Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch : S0 = {S0(1), S0(1), …S0(m)}

Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là : C0 = S0(m)

C1 = S0(m-1) ….

Cm-1 = S0(1)

Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch: Si(m) = Si-1(m-1) = Si-2(m-2) = …= Si-m+1(1) (3.2)

Si-m+1(1) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (gm = 1)

=> Si(m) = g1.Si-m(1) + g2.Si-m(2) + …+ Si-m(m) (3.3) Áp dụng công thức (3.3), ta có :

Si(m) = g1.Si-1(m) + g2.Si-2(m) + …+ Si-m(m) (3.4)

Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi dịch : ci Si(1) Si(2) g1 g2 gm-1 ci-m Đến bộ điều chế Si(m)

=> Ci = g1.Ci-1 + g2.Ci-2 + …+ Ci-m (3.5) Hay :

Ci+m = g1.Ci+m-1 + g2.Ci+m-2 + …+ Ci

Thí dụ, xét đa thức tạo mã g(x) =x5+ + + +x4 x3 x 1. Sử dụng (3.5) ta được hồi quy ci = ci-1 + ci-3 + ci-4 + ci-5 (mod 2). Vì bậc của g(x) bằng m = 5, nên có 5 đơn vị nhớ ( năm phần tử thanh ghi dịch) trong mạch. Đối với mọi trạng thái khởi đầu khác không (s0 ≠ {0, 0, 0, 0, 0}), trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy được xác định bởi đa thức tạo mã g(x). Trong thí dụ này chuỗi ra tuần hoàn là cột cuối cùng ở hình dưới: c = 111101000100101011000011100110.... Tình cờ chuỗi này có chu kỳ cực đại và bằng N = 2m- 1. Các đa thức tạo mã khác có thể tạo ra chu kỳ ngắn hơn nhiều. Lưu ý rằng ở cấu hình mạch được xét này, m bit đầu tiên của chuỗi ra bằng các bit được nạp ban đầu vào thanh ghi dịch: s0 = 11111. Đối với nạp ban đầu khác, chẳng hạn s0 = 00001, đầu ra của chuỗi tương ứng trở thành 1000011100110111110100010010101...., là dịch (sang phải N-i = 31 -18 =13đơn vị) của chuỗi c.

Bảng 3.1:Bảng tạo ra mã ngẫu nhiên với đa thức tạo mã g(x) = 5 4 3

1

x + + + +x x x

Xung thứ i Trạng thái Xung thứ i Trạng thái

1 1111

1

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

Các chuỗi mã này nếu các số 0 được thay bằng các số -1 và được gọi là các mã Gold trực giao.

Uplink: Các mã hướng lên sử dụng một thanh ghi dịch 24 bit, do đó số mã có được là 2^24 - 1 = 16.777.232. Phân biệt các đầu cuối user trong cùng một cell.

Downlink: Các mã hướng lên sử dụng một thanh ghi dịch 18 bit, nên có 2^18 - 1 = 262143 mã. Tuy nhiên chỉ có 8192 mã đầu tiên được dùng. Các mã ngẫu nhiên này được chia thành 512 nhóm mã, mỗi nhóm có 16 mã gồm một mã sơ cấp (primary srambling code) và 15 mã thứ cấp (secondary srcambling code). Mỗi cell chỉ được cấp một mã sơ cấp. Do đó cần phải quy hoạch mã PN ở chiều xuống. Dùng phân biệt các sector (cell) khác nhau.

Cần nói rõ thêm rằng các PN codes do con người tạo ra không có loại nào đạt được tính trực giao đầy đủ trong một chu kỳ hữu hạn cả mà chỉ gần như trực

giao với nhau thôi và đó là bản chất của MAI. Nếu ta có thể tạo ra các PN codes hoàn toàn trực giao trong một chu kỳ hữu hạn thì dung lượng của cell về lý sẽ có thể đạt vô cùng lớn, chỉ còn bị giới hạn bởi tạp âm nhiệt mà thôi.

3.3.3.2 Đồng bộ mã trải phổ

Trong WCDMA, kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) được sử dụng. Mỗi một người sử dụng được cấp một code để phân biệt với người khác. Code được sử dụng thường là một chuỗi giả ngẫu nhiên (PN), có tốc độ rất lớn hơn tốc độ symbol dữ liệu, tức là phần tử của chuỗi có độ rộng thời gian rất nhỏ hơn độ rộng của symbol (hay bit) dữ liệu và được gọi là chip. Việc đồng bộ định thời chip trong WCDMA là đặc biệt quan trọng vì nó cho phép đồng bộ bản sao chuỗi PN của người sử dụng đã trữ sẵn tại máy thu với chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu được, nhờ vậy việc giải trải phổ bằng cách nhân chuỗi PN đã đồng bộ định thời tại máy thu với tín hiệu thu được sẽ tách được tín hiệu cần thu khỏi nền nhiễu bao gồm cả nhiễu tự nhiên lẫn nhiễu do nhiều người dùng khác sử dụng chung tần số gây ra. Nếu đồng bộ định thời không hoàn hảo thì hoặc là không thể tách được tín hiệu dữ liệu,hoặc là tỷ số SNR sẽ thấp.

Phần trên ta đã biết về các đặc tính cơ bản của các chuỗi PN. Có nhiều loại chuỗi PN, được tạo ra từ các thanh ghi dịch có hồi tiếp. Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dạng thumb-nail, một chu kỳ của nó có hai phần chính:

-Trị của hàm tự tương quan chuẩn hóa giảm tuyến tính từ 1 xuống còn 1/N khi biến tau tăng từ 0 tới Tc (Tc là độ rộng một chip).

-Trị của hàm tự tương quan là 1/N (không đổi) khi biến tau tăng từ Tc tới (N- 1).Tc. Nếu N rất lớn thì trong đoạn sau, hàm tự tương quan có thể xem=0.

Nguyên lý đồng bộ định thời chip (đồng bộ chuỗi PN) bao gồm hai giai đoạn: ● Quá trình tìm nhận

Khi bắt đầu quá trình đồng bộ, do chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu được (do quá trình nhân trực tiếp dãy dữ liệu d(t) với chuỗi PN khi trải phổ ở phần phát) và chuỗi PN ở máy thu lệch pha nhau, sai pha này là một giá trị ngẫu nhiên, phân bố đều trong khoảng từ 0 tới N.Tc, do vậy khả năng rất cao là sai pha đó lớn hơn Tc. Khi đó quá trình tìm nhận diễn ra với mục tiêu là kéo cho sai pha giữa chuỗi PN của máy thu và chuỗi PN trong tín hiệu thu giảm xuống còn dưới một Tc.

Về bản chất, quá trình này thực hiện tính tương quan giữa chuỗi PN của máy thu với chuỗi PN có trong tín hiệu thu được. Nếu giá trị tương quan chéo này (và cũng là giá trị hàm tự tương quan với biến tau chính là lượng sai pha) vẫn còn bằng 0 hoặc rất nhỏ thì máy thu tiếp tục dịch mã PN của mình cho tới khi giá trị tương quan chéo tính được vượt quá một mức cho trước (một điện áp ngưỡng nào đó, ấn định rằng tau đã nhỏ hơn Tc) thì dừng quá trình tìm nhận, chuyển sang quá trình bám đồng bộ (tinh chỉnh để sai pha tau được kéo về 0).

● Quá trình bám đồng bộ

Để thực hiện điều tinh chỉnh, một mạch đồng bộ sớm-muộn gồm 2 nhánh thường được sử dụng. Về bản chất, đây là 2 PLL (Phase locked loop) nhận cùng một tín hiệu lối vào, song trên hai nhánh thì tín hiệu lối vào được tính tương quan với hai chuỗi PN tạo ra cùng từ cùng một bộ tạo mã PN song có pha đầu được làm lệch đi +Tc/2 và -Tc/2 một cách tương ứng. Trên đầu ra của 2 bộ tính tương quan trên hai nhánh sẽ có các điện áp khá lớn (do sai pha tau lúc này đã nhỏ dưới một Tc) và khác nhau. Hiệu của 2 điện áp này, sau bộ lọc mạch vòng, sẽ được sử dụng để điều khiển dịch mã PN (tức là sẽ điều chỉnh chính bộ tạo mã PN nói trên của máy thu), cực tính của điện áp hiệu sẽ quyết định chiều dịch mã nhanh pha lên hay chậm pha đi. Trong suốt quá trình điều chỉnh này, giá trị tuyệt đối của hiệu điện áp nói trên sẽ giảm dần, giảm cho tới 0 thì chuỗi PN của máy thu đã hoàn toàn đồng bộ với chuỗi PN trong tín hiệu thu được. Kết thúc quá trình đồng bộ mã PN (hay đồng bộ chip).

3.4 Truy nhập gói trong WCDMA

3.4.1 Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA

Truy nhập gói trong WCDMA cho phép các vật mang không phải thời gian thực sử dụng động các kênh chung, riêng và dùng chung. Việc sử dụng các kênh khác nhau được điều khiển bởi bộ lập biểu gói PS (Packet Scheduler). Bộ lập biểu gói thường được đặt ở RNC vì tại đây việc lập biểu gói có thể thực hiện hiệu quả cho nhiều ô, ngoài ra ở đây cũng xem xét các kết nối chuyển giao mềm.

Bộ lập biểu gói có các chức năng chính sau:

• Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng. • Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của

từng người sử dụng.

• Giám sát các phân bổ gói và tải hệ thống.

Truy nhập gói sử dụng cho các dịch vụ không theo thời gian thực, nhìn từ quan điểm giao diện vô tuyến nó có các thuộc tính điển hình sau:

• Số liệu gói có dạng cụm, tốc độ bit yêu cầu có thể biến đổi rất nhanh. • Số liệu gói cho phép trễ lớn hơn các dịch vụ thời gian thực. Vì thế số

liệu gói là lưu lượng có thể điều khiển được xét theo quan điểm mạng truy nhập vô tuyến.

Các gói có thể được phát lại bởi lớp điều khiển kết nối vô tuyến (RLC). Điều này cho phép sử dụng chất lượng đường truyền vô tuyến kém hơn và tỷ số lỗi khung cao hơn so với các dịch vụ thời gian thực.

Lưu lượng gói được đặc trưng bởi các thông số sau: • Quá trình đến của phiên.

• Số cuộc gọi đến phiên.

• Thời gian đọc giữa các cuộc gọi. • Số gói trong một cuộc gọi gói.

• Khoảng thời gian giữa hai gói trong một cuộc gọi gói. • Kích thước gói.

 SVTH : Nguyễn Hải Quân –ĐTVT28 GVHD :Th.S Đặng Thị Từ Mỹ Phiên dịch vụ gói

Cuộc gọi gói Thời gian

đọc Thời gian

3.4.2 Các phương pháp lập biểu gói

Chức năng lập biểu gói là phân chia dung lượng giao diện vô tuyến khả dụng giữa các người sử dụng. Bộ lập biểu gói có thể quyết định tốc độ bit phân bổ và thời gian phân bổ. Thuật toán lập biểu gói trong WCDMA được thực hiện theo hai phương pháp: phân chia theo mã và phân chia theo tần số. Trong phương pháp phân chia theo mã, khi có nhu cầu tăng dung lượng thì tốc độ bit phân bổ cho người sử dụng sẽ giảm đi. Trong phương pháp phân chia theo thời gian biểu dung lượng được dành cho một số ít người theo từng thời điểm, như vậy người sử dụng có thể có tốc độ bit cao nhưng chỉ có thể sử dụng trong thời gian ngắn. Trong trường hợp số người sử dụng tăng thì phải đợi truyền dẫn lâu hơn. Thực tế quá trình lập biểu gói là sự kết hợp của hai phương pháp trên.

3.4.2.1 Lập biểu phân chia theo thời gian

Khi bộ lập biểu phân chia thời gian phân bổ các tốc độ gói, cần xét đến hiệu