CÔNG NGHỆ VÀ QUY HOẠCH W - CDMA - 5

Cặp bit vào

Toạ độ các điểm tín hiệu

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

Pha của tín Điểm tín hiệu

0  t  T hiệu QPSK Si Q1 Q2

2/E

2/E

00 S1 /4 + +

2/E

2/E

01 S2 3/4 + -

2/E

2/E

11 S3 5/4 - -

2/E

2/E

10 S4 7/4 - +

Xác suất lỗi trong QPSK:

b



Q

P e

,

QPSK

E 2 N

0

   

   

Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau. Tuy nhiên, với QPSK thì

hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK. Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb.

4.4 Trải phổ trong W-CDMA

4.2.1 Giới thiệu

Tín hiệu sau trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều

lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi. Sự trải phổ được thực

hiện bởi tín hiệu trải phổ được gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ

liệu.Tại phía thu, việc nén phổ (khôi phục lại thông tin ban đầu) được thực hiện bởi

sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao đồng bộ của mã trải phổ sử dụng

ở phía phát.

Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được

quan tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ

càng tốt. Trong W-CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập

kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập

phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông

tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS : Spread Spectrum) độ rộng

băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng

Trang 45

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần

trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng

được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng

cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát.

Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau :

- Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực

hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc

độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.

- Trải phổ nhảy tần (FHSS : Frequency Hopping Spreading Spectrum) : Hệ

thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số.

Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip TC

được cố định không đổi . Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong

hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin,

còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại.

- Trải phổ nhảy thời gian (THSS : Time Hopping Spreading Spectrum) : Thực

hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một

hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được

sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.

Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần

và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính

xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu

phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi

người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào

dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột.

Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ

thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng

DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS.

Trang 46

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

4.2.2 Nguyên lý trải phổ DSSS

Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực

hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc

độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit

Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau :

(4.9)

RC = 1/TC

(4.10)

Rb = 1/Tb

Trong đó :

RC : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên.

Rb : tốc độ bit.

TC : thời gian một chip.

Tb : thời gian một bit.

Tb = Tn

Tb = Tn Tc

Tb : Thời gian một bit của luồng số cần phát

Tn : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ

TC : Thời gian một chip của mã trải phổ

Hình 4.4. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Trang 47

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

4.2.3 Mã trải phổ

Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã

giả tạp âm PN (Pseudo Noise). Mã giả tập âm còn được gọi là mã giả 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 giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định.

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.

g1 g2 gm-1

ci

ci-m

Si(1)

Si(2)

Si(m)

Si(j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i.

gi = 0 : khóa mở, gi = 1 : khóa đóng. Đến bộ điều chế

Hình 4.5. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN

Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức

tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) :

m

m

 1





g

x

 ...



g

(4.11)

  xg

(với gm = g0 = 1)

xg m

m

 1

xg 1

0

xm : Đơn vị trễ.

Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch :

S0 = {S0(1), S0(1), …S0(m)}

Trang 48

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

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 :

(4.12)

Si(m) = Si-1(m-1) = Si-2(m-2) = …= Si-m+1(1)

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

(4.13)

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

Áp dụng công thức (4.12), ta có :

(4.14)

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

Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ Si(m) của thanh ghi

dịch :

(4.15)

=> Ci = g1.Ci-1 + g2.Ci-2 + …+ Ci-m

Hay :

(4.16)

Ci+m = g1.Ci+m-1 + g2.Ci+m-2 + …+ Ci

Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các

thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp. Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao

tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau :

Si(1)

Si(2)

Si(m)

g1 g2 gm-1

Si(j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i.

gi = 0 : khóa mở, gi = 1 : khóa đóng.

ci

Đến bộ điều chế

Hình 4.6. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao

Trang 49

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

4.2.4 Các hàm trực giao

Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện hiệu suất sử dụng băng tần của hệ

thống DSSS. Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA mỗi người sử dụng một

phần tử trong các hàm trực giao. Hàm Walsh và các chuỗi Hadamard tạo nên một

tập các hàm trực giao. Trong W-CDMA các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách

là mã trải phổ hoặc các ký hiệu trực giao.

Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt gọi được gọi là

các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn bit “0”, các hàng còn

lại có số bit “1” và số bit “0” bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N = 2j, trong đó j là một số nguyên dương.

Tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma

trận Hadamard như sau :

0000

H

H

N

N

H



,0

H



,

H



,

H



1

2

4

2

N

00 10

H

H

1010 1100

N

N

0110

Trong đó

NH là đảo cơ số hai của HN.

4.3 Cấu trúc phân kênh của WCDMA

Cũng như trong các hệ thống thông tin di động thế hệ hai, các kênh thông tin

trong WCDMA được chia ra làm hai loại tuỳ thuộc vào quan điểm nhìn nhận. Theo

quan điểm truyền dẫn ta sẽ có các kênh vật lý còn theo quan điểm thông tin ta sẽ có

các kênh truyền tải.

Lớp vật lý ảnh hưởng lớn đến sự phức tạp của thiết bị về mặt đảm bảo khả

năng xử lý băng tần cơ sở cần thiết ở trạm gốc và trạm đầu cuối. Trên quan điểm

các hệ thống thông tin di động thế hệ ba là các hệ thống băng rộng, vì vậy không thể

thiết kế lớp vật lý chỉ cho một dịch vụ thoại duy nhất mà cần đảm bảo tính linh hoạt

cho các dịch vụ tương lai.

Trang 50

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

4.3.1 Kênh vật lý

4.3.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên

Kênh vật lý đường lên gồm một hay nhiều kênh số liệu vật lý riêng (DPDCH)

và một kênh điều khiển vật lý (DPCCH).

 Kênh điều khiển vật lý (DPCCH)

Kênh điều khiển vật lý đường lên được sử dụng để mang thông tin điều khiển

lớp vật lý. Thông tin này gồm : các bit hoa tiêu để hỗ trợ đánh giá kênh cho tách

sóng nhất quán, các lệnh điều khiển công suất (TCP : Transmit Control Power),

thông tin hồi tiếp (FBI : Feedback Information) và một chỉ thị kết hợp khuôn dạng

truyền tải (TFCI).

DPDCH Số liệu Ndata bit

DPCCH Hoa tiêu TFCI FBI TCP Npilot bit NTFCI bit NFBI bit NTPC

Tkhe = 2560 chip, 10.2k bit (k = 0…6)

Khe #0 Khe #1 Khe #i Khe #14

Một khung vô tuyến : Tf = 10ms

Hình 4.7. Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên

Thông số k xác định số bit trên khe của DPDCH/DPCCH đường lên. Mỗi

khung có độ dài 10ms được chia thành 15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip ứng

với 666µs, tương ứng với một chu kỳ điều khiển công suất. Như vậy độ rộng khe

gần bằng với độ rộng khe ở GSM (577µs). Các bit FBI được sử dụng khi sử dụng

phân tập phát vòng kín ở đường xuống. Có tất cả 6 cấu trúc khe cho DPCCH đường

Trang 51

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

lên. Có các tuỳ chọn sau : 0, 1 hay hai bit cho FBI và có hoặc không các bit TFCI.

Các bit hoa tiêu và TPC luôn luôn có mặt và số bit của chúng được thay đổi để luôn

sử dụng hết khe DPCCH.

Cấu trúc các trường của DPCCH :

Khuôn

Tốc độ

Tốc độ

SF

Số bit

Số bit

Npilot

NTPC

NTFCI

NFBI Số khe được phát

dạng

bit kênh

ký hiệu

/khung

/khe

trên

khung

vô

tại #i

(kbit/s)

kênh

tuyến

256 150

15 10 6 2 2 15 0 15 0

256 150

15 10 5 2 3 10 – 14 0 15 0A

256 150

15 10 4 2 4 8 – 9 0 15 0B

256 150

15 10 8 2 0 8 – 16 0 15 1

256 150

15 10 5 2 2 15 1 15 2

256 150

15 10 4 2 3 10 – 14 1 15 2A

256 150

15 10 3 2 4 8 – 9 1 15 2B

256 150

15 10 7 2 0 8 – 15 1 15 3

256 150

15 10 6 2 0 8 – 15 2 15 4

256 150

15 10 5 1 2 15 2 15 5

256 150

15 10 4 1 3 10 – 14 2 15 5A

256 150

15 10 3 1 4 8 – 9 2 15 5B

 Kênh số liệu vật lý riêng DPDCH

Kênh truyền số liệu cho người sử dụng, tốc độ số liệu của DPDCH có thể thay

đổi theo khung. Thông thường đối với các dịch vụ số liệu thay đổi, tốc độ số liệu

của kênh DPDCH được thông báo trên kênh DPCCH. DPCCH được phát liên tục

và thông tin về tốc độ trường được phát bằng với chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền

tải (TFCI), là thông tin DPCCH về tốc độ số liệu ở khung DPDCH hiện hành. Nếu

giải mã TCFI không đúng thì toàn bộ khung số liệu bị mất. Tuy nhiên độ tin cậy của

TCFI cao hơn số liệu nên ít khi xảy ra mất TCFI.

Cấu trúc các trường của DPDCH như sau :

Trang 52

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

a

Khuôn Tốc độ bit Tốc độ ký Số bit Số bit Ndat SF dạng tại #i kênh (kbit/s) hiệu kênh /khung /khe

0 15 15 256 150 10 10

1 30 30 128 300 20 20

2 60 60 64 600 40 40

3 120 120 32 1200 80 80

4 240 240 16 2400 160 160

5 480 480 8 4800 320 320

6 960 960 4 9600 640 640

4.3.1.2 Kênh vật lý chung đường lên

 Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH

Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) được sử dụng để mang RACH.

- Phát RACH : Phát truy nhập ngẫu nhiên dựa vào phương pháp ALOHA theo

phân khe với chỉ thị bắt nhanh. Cứ hai khung thì có 15 khe truy nhập và khoảng

cách giữa chúng là là 5120 chip. Các lớp cao cung cấp thông tin về khe truy nhập sử

dụng ở hiện thời.

Trang 53

Khung vô tuyến 10ms

Khung vô tuyến 10ms

5120 chip

#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14

Phát truy cập ngẫu nhiên

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

Phát truy cập ngẫu nhiên

Kênh truy nhập #0

Phát truy cập ngẫu nhiên

Kênh truy nhập #1

Phát truy cập ngẫu nhiên

Kênh truy nhập #7

Kênh truy nhập #8

Kênh truy nhập

Hình 4.8. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng

- Phần tiền tố của RACH : Phần tiền tố của cụm truy nhập ngẫu nhiên gồm 256

lần lặp một chữ ký.

Tiền tố Tiền tố Phần bản tin

Tiền tố

10ms (Một khung vô tuyến)

4096 chip

4096 chip

20ms (Hai khung vô tuyến)

Tiền tố Tiền tố Tiền tố Phần bản tin

Hình 4.9. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên

- Phần bản tin của RACH : Khung vô tuyến phần bản tin 10ms được chia thành

15 khe, mỗi khe dài Tslot = 2560 chip. Mỗi khe gồm hai phần : phần số liệu mang

thông tin lớp 2 và phần điều khiển mang thông tin lớp 1. Cả hai phần được phát đồng thời. Phần số liệu gồm 10.2k bit với k = 0, 1, 2, 3. Phần điều khiển gồm 8 bit

hoa tiêu để hỗ trợ sự đánh giá cho tách sóng nhất quán và hai bit TFCI . Tổng số bit

TFCI trong bản tin truy nhập ngẫu nhiên là 30. Giá trị của TFCI tương ứng với một

Trang 54

Các giải pháp kỹ thuật trong W-CDMA

khuôn dạng truyền tải nhất định của bản tin truy nhập hiện thời.

Số liệu

Số liệu Ndata bit

Điều khiển

Hoa tiêu Npilot bit

Khe #0

Khe #1

Khe #14

Tslot = 2560 chip, 10.2k bit (k=0..3)

Khe #i

Khung vô tuyến phần bản tin TRACH = 10

Hình 4.10. Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH

Các trường số liệu của phần bản tin RACH :

Khuôn

Tốc độ bit

Tốc độ ký hiệu

SF

Số bit/ khung

Số bit/ khe Ndata

dạng khe #i

kênh (kbit/s)

kênh (kbit/s)

15

15

256

150

10

10

0

30

30

128

300

20

20

1

60

60

64

600

40

40

2

120

120

32

1200

80

80

3

Trường điều khiển phần bản tin RACH :

Khuôn

Tốc độ bit

Tốc độ ký

SF

Số

bit/

Số

bit/

Npilot NTFCI

dạng khe #i

kênh (kbit/s)

hiệu

kênh

khung

khe

(kbit/s)

15

256 150

10

8

2

15

0

Trang 55