Khái niệm trải phổ

Chia sẻ: Đào Hồng Quang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

666
lượt xem 125
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kỹ thuật trải phổ trải thông tin với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng cần thiết để chuyển thông tin bằng cách sử dụng mã không liên quan đến thông tin. Ở đầu thu, thông tin được thu phổ trở lại (despread) với cùng mã đã sử dụng để trải phổ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khái niệm trải phổ

2.1 Khái niệm của hệ thống trải phổ 2.1.1 Khái niệm trải phổ Kỹ thuật trải phổ trải thông tin với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng cần thiết để chuyển thông tin bằng cách sử dụng mã không liên quan đến thông tin. Ở đầu thu, thông tin được thu phổ trở lại (despread) với cùng mã đã sử dụng để trải phổ. Tín hiệu trải phổ có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều so với độ rộng băng của thông tin của bản thân nó. Hệ thống trải phổ có các tính chất sau: - Tránh tắc nghẽn - Tránh nhiễu tốt - khả năng xảy ra bị chặn thấp - khả năng chống nhiễu đa đường qua đường dây 2.1.2 Trải và nén phổ Với kỹ thuật trải phổ, các tín hiệu số hóa được điều chế và trải bằng cách mã hóa với mã đặc biệt gọi là mã Walsh và PN và sau đó được phát đi. Ở phía thu, tín hiệu gốc được tách ra bằng cách dùng mã giống như mã đã dùng để trải phổ để truyền đi. Việc bảo mật thông tin được thực hiện vì tín hiệu gốc chỉ tách được ra khi đầu thu sử dụng cùng mã đã dùng để truyền đi. Hơn nữa, thậm chí nhiều tín hiệu trải phổ được truyền đi cùng một băng tần, tín hiệu gốc có thể được tách ra khi thu phổ. Vì vậy kỹ thuật trải phổ có thể sử dụng các tần số hiệu quả hơn so với FDMA và TDMA cần nhiều tần số hơn. Để thực hiệnthu phổ, phía thu cần phải đồng bộ hóa tín hiệu thu và mỗi mã trước đó. Nói tóm lại thu phổ tương tự việc đồng bộ hóa. Hệ thống trải phổ được chia lam hai nhánh: trải phổ trực tiếp (DS) và dịch tần (FH). 2.3 Mã trải phổ 2.3.1 Mã Walsh (1) Tạo mã Walsh Ta đã biết tất cả các users đều được phát trên cùng một băng RF. Để tránh gây nhiễu lẫn nhau phía phát lên, mã Walsh được sử dụng để phân biệt giữa các users trong khi họ đồng thời chiếm cùng một băng RF. Mã Walsh được sử dụng theo IS-95 là tập các chuỗi trực giao 64 số nhị phân. Các chuỗi này trực giao với nhau và chúng được tạo ra bởi ma trân Hadmard. Phương pháp đệ qui được dùng để tạo ra ma trận bậc cao hơn từ ma trận bậc thấp hơn. (2) Phân kênh sử dụng mã Walsh Ta lấy ví dụ sau từ đó có thể hiểu được quá trình này: Giả sử có 3 users khác nhau và mỗi user đều muốn gửi một message riêng biệt. Mỗi message này sẽ được gắn một mã Walsh và chúng được trải phổ cùng với mã Walsh đó. Lưu ý rằng tốc độ tạo mã Walsh nhanh hơn gấp 4 lần tốc độ tạo message có gắn mã Walsh (cho riêng trường hợp này). Ta lần lượt có được 3 tín hiệu trải phổ, nhưng 3 tín hiệu này lại được kết hợp thành một tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu tổng hợp này được truyền trên một băng tần RF đơn. Nếu trong quá trình truyền tín hiệu, có lỗi không đáng kể, phía thu sẽ giữ tín hiệu tổng hợp này lại. Để tách các tín hiệu gốc từ tín hiệu tổng hợp, phía thu sẽ nhân tín hiệu tổng hợp này với mã Walsh. Phía thu sẽ kết hợp hoặc cộng
thêm vào mỗi chu kỳ bit và tạo ra các hàm tương ứng. Áp dụng nguyên lý: Nếu hàm tích hợp có giá trị lớn hơn 0 thì tín hiệu cần thu sẽ có giá trị là 1 và ngược lại thì có giá trị là –1. Sau khi áp dụng phương pháp trên ta thu lại được tín hiệu gốc. (3) Đánh giá Chúng ta vừa mô tả mã Walsh được sử dụng như thế nào để phân kênh cho các user. Tuy nhiên khả năng phân kênh phụ thuộc nhiều vào sự trực giao của các chuỗi mã trong các giai đoạn truyền tin. Ví dụ do trễ đa đường, một mã của user bị trễ bởi 1 chip thì sau đó mã bị trễ đó không trực giao với các mã trong cùng tập mã đó. Do đó việc đồng bộ hóa là cần thiết cho đa truy cập hệ thống trải phổ trực tiếp. Trong thực tế, hệ thống IS-95 CDMA sử dụng kênh pilot và kênh đồng bộ để đồng bộ hóa đường phát và để đảm bảo kết nối chặt chẽ. 2.3.2 Mã PN Mặc dù forward link của IS-95 CDMA đã có kênh pilot và kênh đồng bộ để hỗ trợ đồng bộ hóa, kết nối ngược lại không có kênh pilot và kênh đồng bộ. Trạm thu phát mobile sẽ và không có khả năng đồng bộ các tín hiệu phát của mình. Vì vậy, mã Walsh không được sử dụng cho kết nối đường về. Sự tự nhiên rời rạc của kết nối đường về đòi hỏi phải sử dụng lớp mã khác, mã PN cho phân kênh (1) Tạo mã PN Các mã PN có thể được tạo ra từ các thanh gi dịch hồi tiếp tuyến tính. Ví dụ (một thanh ghi 3 trạng thái) trong hình 2.6. Các bit nhị phân được dịch qua các giai đoạn khác nhau của thanh ghi. Đầu ra của trạng thái cuối và đầu ra của trạng thái trung gian được kết hợp và cấp như đầu vào đến giai đoạn đầu tiên. Thanh ghi khởi động với chuỗi bit đầu tiên hoặc trạng thái bắt đầu, lưu trong các giai đoạn của nó. Sau đó thanh ghi bị khóa và các bit được chuyển sang các stage. Bằng cách này thanh ghi tiếp tục tạo ra các bit và đưa trở lại vào stage đầu tiên. Các bit ra trạng thái cuối tạo ra mã PN. Bây giờ chúng ta giải thích sự hình thành mã PN bằng thanh ghi trong hình 2.6. Trạng thái đầu [1,0,1] được sử dụng cho thanh ghi. Sau khi khoá các bit đi qua thanh ghi, ta tổng hợp được kết quả trong bảng 2.1. Lưu ý rằng tại điểm dịch 7 chuyển về trạng thái đầu sau đó chuyển dịch các bit tạo ra các chuỗi giống hệt của đầu ra. Do đó độ dài hiệu quả của chu kỳ tạo ra mã PN là 7. Đầu ra của thanh ghi tạo ra mã PN trong đó: P = [1 0 1 1 1 0 0] Mã được tạo ra theo cách này được gọi là mã ghi dịch có độ dài tối đa và độ dài tối đa L của mã là: L = 2N – 1 Trong đó N là số stage hoặc bậc của thanh ghi. Trong trường hợp này N=3 và độ dài mã là 7. Cấu trúc mã PN được quyết định bởi đường hồi tiếp logic và trạng thái đầu của thanh ghi. Ví dụ nếu trạng thái đầu của thanh ghi là [0,0, 0] sau đó các stages khác sẽ bị vào
trạng thái zero; đầu ra trạng thái thanh ghi là zero và các mã tạo ra sẽ không có độ dài tối đa. Ta thấy mã PN thoã mãn các điều kiện đa truy cập hệ thống DS-SS: 1. Sự tương quan qua lại bằng 0 hoặc rất nhỏ 2. Mỗi chuỗi trong set đều có số tương ứng là bằng –1s hoặc số chữ số 1s khác với số chữ số -1s là duy nhất. 3. các điểm tỉ lệ hoá của mỗi mã tương đương 1 Do độ dài tối đa mã PN luôn là số lẻ và mã chỉ ra ở trên có bốn + 1s và ba –1s, mã thoả mãn điều kiện 2. (2) Phân kênh sử dụng mã PN Ta sử dụng lại một ví dụ để miêu tả mã PN được sử dụng như thế nào cho đa truy cập. Giả sử có 3 users muốn gửi 3 message riêng biệt. Mỗi message được gắn với một mã PN. Message thứ nhất được gắn mã PN số 0, message thứ hai gắn mã PN số 3, message thứ 3 được gắn mã PN số 6. Mỗi message được trải với mã PN riêng. Lưu ý rằng tốc độ trải mã PN lớn gấp 7 lần tốc độ trải message góp phần vào quá trình gắn mã. 3 message được gắn mã PN và trải phổ sau đó được tổng hợp lại thành 1 tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu tổng hợp được truyền trên băng tần RF. Nếu lỗi trong quá trình truyền là không đáng kể, đầu thu giữ lại. Để tách được các tín hiệu gốc từ tín hiệu tổng hợp, đầu thu sẽ nhân tín hiệu tổng hợp với mã PN đã được dùng cho mỗi message. Sau đó đầu thu kết hợp hoặc cộng thêm tất cả các giá trị qua mỗi chu kỳ bit. Áp dụng quy tắc này ta khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Chúng ta định nghĩa được thời gian riêng tương quan tự động của chuỗi giá trị thực x là: Rx(i) = Σ j-1j=0 xj xj-i Nói cách khác mỗi lần thành công dịch chuyển i, ta tính tổng số x j và các phần dịch của nó xj-i. Ta tính sự tự động tương quan của PN chuỗi p 0. Bảng 2.2 tính sự tự động tương quan Rp0(i) của p0. Lưu ý rằng: p0 = [+1 –1 +1 +1 +1 –1 -1] và chuỗi được dịch p0j-i cũng được chỉ ra cho mỗi lần dịch i được chỉ ra bên phải của bảng. Bảng 2.7 miêu tả hàm tự động tương quan Rp0(i) như là một hàm dịch thời gian i. Trong thực tế bên thu xử lý bản copy gốc của mã PN (ví dụ P 0,j). Bên thu sẽ nhận được chuỗi đến P0j-i tại pha duy nhất. Bên thu chỉ phải trượt các chuỗi đang nhận và tính toán sự tự động tương quan. Khi sự tự động tương quan đạt mức cao nhất thì hai mã cùng pha và dịch thời là 0. Ở hệ thống IS-95 CDMA, thực tế việc này được thực hiện bởi trạm di động để thu được kênh pilot chưa điều chỉnh. Phương thức thu này cũng được sử dụng khi độ dài mã trải phổ tương đương với độ dài bit dữ liệu. Ở IS-95 CDMA, kết nối đường về sử dụng mã PN dài để phân kênh. Gọi là mã dài vì độ dài của nó thực sự rất dài. Mã dài có độ dài là 242-1 chips và được tạo ra bởi 42 trạng thái. Ở phần trước ta thấy kết nối đường lên sử dụng mã Walsh để phân kênh cho các user riêng rẽ tại một trạm thu phát cụ thể. Tuy vậy kết nối đường lên cũng sử dụng mã PN. Mỗi trạm thu phát được gắn một mã PN duy nhất thêm vào phần trên của mã Walsh. Làm
như vậy để phân biệt giữa các trạm thu phát khác nhau (hoặc các sector); sự phân biệt là cần thiết vì mỗi trạm đều sử dụng 64 tập mã Walsh giống nhau. Mã PN được sử dụng ở kết nối đường lên và được goin là mã “ngắn”. Nó được gọi như vậy bởi vì độ dài của nó tương đối ngắn. Mã ngắn được tạo ra bằng cách sử dụng 15 trạng thái thanh ghi và có độ dài là 215-1 chips. 2.4 Tốc độ trải phổ Trong hệ thống DS, sự điều biến trải phổ thường được thực hiện bởi chuỗi mã PN. Điều đó có nghĩa là sau khi một tín hiệu vào được gắn chuỗi mã PN và mạch nhị phân AND, tín hiệu ra điều chế một sóng mang. Sự điều chế khoá dịch pha (PSK) thường được sử dụng SOURCE AND CHANNEL CODING 3.1 Vocoding (source coding) Trong hệ thống CDMA, bất kỳ tín hiệu nào đều đến từ các đầu cuối/các trạm thu phát gốc ngoại trừ những tín hiệu chuẩn bị được kết nối bị coi là nhiễu. Vì vậy nhiễu càng tăng thì giao tiếp càng khó và thậm chí nó có thể làm gián đoạn thông tin. Nếu có một phương thức thông tin trong đó mỗi đầu cuối không truyền tín hiệu khi không cần thiết, nó sẽ cho phép tăng thông tin đồng thời nhiều hơn. Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật gọi là “Variable Rate CODEC - tốc độ mã hóa-giải mã có thể biến đổi”. SU và BTS chuyển đổi các tín hiệu thoại thành tín hiệu số và truyền đi trong mỗi khung 20ms. Trong kênh lưu lượng, SU và BTS thay đổi kích cỡ của khung một cách linh hoạt tùy thuộc dung lượng của kênh, ví dụ dung lượng của thoại, do đó chỉ một số tối thiểu tín hiệu được truyền đi. SU lựa chọn kích cỡ của các khung để truyền đi 4 kích cỡ khung khác nhau. Điều này có nghĩa là tỉ lệ nén được đặt ở mức cao khi các thuê bao không nói. Hệ thống này hỗ trợ hai kiểu nén CODEC là 8K vocoder và 13K vocoder. Kiểu vocoder tùy thuộc vào thiết lập bắt đầu và không thể thay đổi được trong suốt cuộc gọi. Hệ thống sử dụng mã hóa Qualcomm Code Excited Linear Predictive (QCELP) và Enhance Veriable Rate CODEC (EVRC) làm kỹ thuật nén. EVRC không chỉ áp dụng 8k vocoder. 3.2 Chanel Coding Sau khi thông tin gốc được mã hóa thành dạng số, phần dư cần được thêm vào băng gốc tín hiệu số này.Làm như vậy để cải thiện hệ thống thông tin bằng cách làm cho tín hiệu có khả năng chống lại ảnh hưởng của các kênh hỏng như là nhiễu, pha đinh. Mục đích của mã hóa kênh là, đặt ra một xác suất lỗi mong muốn hoặc giảm tỉ số yêu cầu Eb/N0 hoặc là đặt ra tỉ số Eb/N0 có thể đạt được để giảm xác suất lỗi. Để tiến hành được điều này thì phải cần thêm băng thông hoặc thêm các bit dư mà hệ thống phải truyền. Ở phần này chúng ta bàn cụ thể về mã sửa lỗi error-correcting-codes khi áp dụng vào mã hóa kênh cải thiện tỷ lệ xuất hiện lỗi của hệ thống. Mục đích là thêm các bit vào các bit thông tin do đó có thể tìm thấy lỗi và được sửa tại đầu thu. Nói cách khác một chuỗi bit được thể hiện bằng một chuỗi bit dài hơn có đủ khoảng trống để bảo vệ dữ liệu. Ví dụ mã sửa lỗi đơn giản nhất là lặp các bit thông tin. Giả sử ta có 1bit cần truyền và bảo vệ lỗi. Đơn giản ta có thể lặp bit 3 lần (ví dụ nếu tôi có bit1, tôi sẽ gửi 111). Bằng cách này ta sẽ cải thiện được khả năng bên thu thu đúng bit 1 trong trường hợp bất cứ bit được truyền nào chuyển thành 0 trong quá
trình truyền. Trong trường hợp này bên thu sẽ giải mã phần chủ yếu. Cụ thể là bên thu sẽ chỉ quyết định 1 bit 1 nếu phần lớn 3 bit nhận được là 1. Mã này được gọi là mã (3,1). (n,k) tương ứng với 1 mã khi k là độ dài của chuỗi thông tin và n là độ dài của chuỗi mã. Một mã có khi được biểu diễn bằng tỉ số củ nó. Tỉ số R của mã được định nghĩa là: k R= n Có hai lớp mã sửa lỗi cơ bản: mã block và mã xoắn. Mã block như cái tên đã nói lên, mã hóa một chuỗi thông tin thành 1 block tại 1 thời điểm. Mặt khác, các mã xoắn có thuộc tính nhớ, Mức nhớ tùy thuộc vào độ nén chiều dài k của mã xoắn. Đầu ra n-tuple của bộ mã hóa xoắn không chỉ là một hàm của một đầu vào mà còn là một hàm của K-1 đầu vào k-tuples. 3.2.1 Linear Block Codes (1) Minimum distance Mã khối tuyến tính là một lớp các mã có thể được sử dụng cho mục đích dò lỗi và sửa lỗi. Một mã khối tuyến tính có thể được đặc tính hóa bằng ký hiệu (n,k) và một mã cho trước, bộ mã hóa chuyển đổi một khối k bit thông tin thành một khối dài hơn n bit mã. Các bit mã chỉ là một hàm của khối hiện thời của các bit thông tin. Ví dụ, chúng ta có thể định nghĩa một khối mã tuyến tính (7,4) tại đó một khối 7 bit mã được sử dụng để biểu diễn một khối gồm 4 bit thông tin. 4 bit thông tin cho trước (i1, i2, i3, i4), 3 bit dư (r1, r2, r3) được gắn vào dùng cho các chức năng sau: r1 = i1 + i2 + i3 r2 = i 2 + i 3 + i 4 r3 = i 1 + i 2 + i 4 Trong đó + thể hiện modulo –2 addition. Ví dụ nếu các bit thông tin là (1,0,1,0) tương ứng với (i1,i2,i3,i4) sau đó các bit dư thêm là: r1 = 1+0+1=0 r2 = 0+1+0=0 r3 = 1+0+0=1 và từ mã (1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1) được dùng để biểu diễn 4 bit thông tin Về mặt trực giác ta thấy rằng các bit dư thêm cải thiện mức lỗi của hệ thống. Để xác định được đặc tính này, chúng tôi xin giới thiệu khoảng cách Hamming – Hamming distance. Hamming distance giữa hai từ mã bất kỳ là số vị trí mà hai từ mã khác nhau. Ví dụ khoảng cách Hamming giữa hai từ (1,1,1,1,1,1,1) và (1,1,1,0,1,0,0) là 3. Khoảng cách nhỏ nhất d* của một mã là khoảng cách hamming của hai từ mã với khoảng cách hamming nhỏ nhất. Đối với mã Hamming nói ở trên d* là 3, là khoảng cách Hamming nhỏ nhất cho mọi cặp từ mã có thể. Đưa ra khái niệm khoảng cách nhỏ nhất là thông số tới hạn xác định sự biểu diễn của mã cụ thể. Nếu lỗi xuất hiện trong quá trình truyền 1 từ mã và nếu khoảng cách Hamming giữa từ thu được va mỗi từ mã khác lớn hơn t thì sau đó bộ giải mã sẽ các sửa lỗi nếu nó xác nhận rằng từ mã gần nhất với từ nhận được thực sự đã được truyền đi. Nói cách khác d* ≥ 2t + 1 (3.1)
nếu (3.1) hold for a code, sau đó mã này có khả năng correcting terror. mặt khác phương trình 3.2 cộng tổng số lỗi q có thể tìm thấy. d* ≥ q + 1 (3.2) nếu (3.2) hold for a code, thì sau đó mã này có khẳ năng tìm q lỗi. vì vậy cho rằng d* trong ví dụ (7,4), mã Hamming là 3, mã hamming của (7,4) có khả năng sửa t=1 lỗi và dò tìm q=2 lỗi. Như đã nói ở trên, để giải mã một từ mã thu được, bộ giải mã cho rằng từ mã gần nhất là từ mã đã được thu và đã được truyền đi. Ví dụ giả sử một từ mã thu được là (0,0,0,1,1,1,1), vì từ mã thu được này không phải là một trong các từ mã thực sự trong mã Hamming của (7,4), một lỗi (hoặc nhiều lỗi) nhất định xuất hiện. Cho rằng từ mã gần nhất với từ mã thu được đã thực sự được truyền đi, bộ giải mã sẽ quyết định từ mã (0,0,0,1,0,1,1) đã thực sự được đầu phát truyền đi. Trong thực tế, có một mạch logic được sử dụng để thực hiện việc giải mã. (2) Cyclic Redundancy Check (CRC) - kiểm tra dư tuần hoàn IS-95 CDMA sử dụng mã hoá khối để biểu diễn số lượng của mỗi khung được truyền đi (trong đó có lưu một khối của các bit thông tin). IS-95 CDMA sử dụng CRC là một trong các mã khối phổ biến nhất. Đối với CRC, các bit thông tin được coi như là một số nhị phân dài, số này bị chia ra bởi số đầu tiên duy nhất cũng là nhị phân và số còn lại được gắn vào các bit thông tin như là các bit dư. Khi thu được khung, đầu thu cũng thực hiện phép chia giống như thế sử dụng bộ chia đầu tiên giống như vậy và so sánh các số còn lại đã được tính toán với phần thu còn lại của khung thu được. Ví dụ mã Hamming của (7,4) đã nêu ra ở trên có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ chia nguyên tố (1,0,1,1). Ta có thể nắm rõ phương pháp này hơn nếu chúng ta biểu diễn các bit nhị phân (hoặc số nhị phân) ở dạng đa thức. ví dụ, các bit nhị phân hoặc số (1,0,1,1) có thể được biểu diễn như một đa thức: g(x) = x3 + x + 1 trong đó mỗi số hạng trong đa thức tương ứng với một bit 1 của số nhị phân. Đa thức g(x) là đa thức cơ bản. Giả sử tin nhắn (1,0,1,0) cần mã hoá sử dụng mã Hamming (7,4). Để mã hoá được, đầu tiên ta phải chuyển đổi tin nhắn thành dạng đa thức là: m(x) = x3 + x sau đó ta dịch tin nhắn lên (n-k) vị trí. Có thể làm việc này rất dễ dàng ở dạng đa thức bằng cách nhân đa thức tin nhắn m(x) với xn-k. Trong trường hợp này (n-k) = (7-4)= 3 vì vậy ta nhân m(x) với x3: x3.m(x) = x6 + x4 lưu ý rằng đa thức này tương đương với (1,0,1,0,0,0,0). Ta lấy được các bit dư bằng cách chia x3m(x) cho g(x) hoặc: x6 + x4 = (x3 +1)(x3 + x + 1) + (x +1) trong đó (x6 + x4 ) là x3m(x), (x3 + 1) là kết quả chia, (x3 + x + 1) là đa thức sinh g(x) và (x+1) là phần dư. Phần dư đa thức (x+1) biểu diễn các bit dư được vào với tin nhắn (1,0,1,0).
Trong hệ thống IS-95 CDMA, khi bộ mã hoá thoại hoạt động ở tốc độ cao nhất, mỗi khung 20ms chứa 192 bit được tạo ra từ 172 bit thông tin, 12 khung bit đặc trưng và 8 bộ mã hoá các bit cuối. 8 bộ mã hoá các bit cuối đều được đặt về 0. Mười hai khung bit chỉ thị đặc trưng là các bit dư là hàm của 172 bit thông tin trong khung. Ngẫu nhiên đa thức sinh đã dùng để tạo ra các bit dư cho một khung đầy đủ là: g(x) = x12 + x11 + x10 + x9 + x8 + x4 + x + 1 3.2.2 Convolution codes – Mã xoắn Các mã khối được cho là không có khả năng nhớ, điều đó có nghĩa là từ mã hoặc các bit dư CRC (trong IS-95) chỉ là hàm của khối hiện thời. Mặt khác mã xoắn lại có khả năng nhớ. Thêm vào đó để sử dụng CRC, IS-95 CDMA sử dụng mã hoá xoắn để cải thiện mức độ lỗi. Đối với các mã xoắn, các bit mã hoá là hàm của các bit thông tin và các hàm của chiều dài nén. Cụ thể, các bit mã hoá (ở đầu ra của bộ mã hoá xoắn) là liên kết tuyến tính của các bit thông tin trước đó. Kết nối đường lên (từ trạm thu phát đến máy di động) sử dụng tốc đọ ½ và chiều dài mã xoắn K=9. Hình 3.1 biễu diễn lược đồ quá trình mã hoá xoắn đường lên. Đầu tiên, tất cả các thanh ghi chuyển về 0. Lúc đó tin nhắn thông báo mi được ghi lại từ phía trái, các bit bị chuyển sang các đoạn khác nhau của đường trễ và được cộng lại ở modulo-2. Kết quả cộng là đầu ra của bộ mã hoá xoắn. Lưu ý rằng, do đây là bộ mã hoá ½. Hai bit được tạo ra trong mỗi chu kỳ đồng hồ. Một chuyển mạch đảo đảo thông qua cả hai điểm đầu ra cứ mỗi chu kỳ đồng hồ vào, do đó tốc độ ra có hiệu quả gấp hai lần tốc độ đầu vào. Hàm chức năng tạo ra y’i và y’’i (nêu trong hình 3.1) có thể được viết là: g’(x) = x8 + x7 + x5 + x3 + x2 + x + 1 g’’(x) = x8 + x5 + x4 + x3 + x2 + 1 IS-95 CDMA sử dụng các biểu đồ mã hoá xoắn khác nhau ở đường về (từ máy di động về trạm thu phát). Vì máy di động có công suất hạn chế, kết nối đường về đôi khi đoi khi có thể là giới hạn kết nối. Do đó ta sử dụng mã hoá xoắn mạnh hơn với tốc độ 1/3 và chiều dài K=9. Trong trường hợp này 3 bit được tạo ra cho các bit đầu vào và hiệu quả tốc độ đầu ra tăng gấp 3 lần. Hình 3.2 chỉ ra biểu đồ mã hoá đường về. Để tham khảo, đa thức sinh tạo 3 bit đầu ra y’i, y’’i, y’’’i là: g’(x) = x8 + x7 + x6 + x5 + x3 + x2 + 1 g’’(x) = x8 + x7 + x4 + x3 + x + 1 g’’’(x) = x8 + x5 + x2 + x + 1 Phương pháp mã hoá đối với các mã xoắn tuỳ thuộc vào phạm vi của cuốn sách này. Nó đủ để đề cập rằng mã hoá xoắn sử dụng thuật toán tree search thông qua một “lưới mắt cáo”. Thuật toán này là một biến thể của lập trình động tuyến tính. 3.2.3 Interleaving – Chèn Các tín hiệu đi qua kênh thông tin di động dễ bị pha đinh. Các mã sửa lỗi được thiết kế để chống lại các lỗi gây ra do tín hiệu yếu và đồng thời giữ mức công suất tín hiệu ở mức hợp lý. hầu hết các mã sửa lỗi đều thực hiện tốt việc sửa lỗi ngẫu nhiên. Tuy nhiên trong những lúc tín hiệu quá yếu, các dòng lỗi liên tục hoặc bất chợt có thể tạo ra các hàm sửa lỗi không có ích.
Một trong những đặc trưng của truyền thông vô tuyến là sự xuất hiện lỗi bất chợt thường xuyên hơn trong thông tin hữu tuyến. Để ngăn chặn lỗi bất chợt này, có một phương pháp được sử dụng trong đó dữ liệu không được truyền theo chuỗi, thay vào đó nó được truyền bằng cách thay đổi trật tự các thành phần xác định. Công suất ra, tốc độ truyền 19.2Kbps từ đầu ra bộ lặp mẫu đi qua một bộ phận chèn khối. Mục đích của việc chèn khối là biến lỗi bất chợt thành lỗi ngẫu nhiên. Trong thông tin thường xảy ra việc mất một phần dữ liệu truyền tại một thời điểm do pha đinh. Nếu chuỗi dữ liệu bị mất cả một lúc, ta không thể hồi phục lỗi này mặc dù ta có thể sử dụng mã sửa lỗi tốt nhất. Trái lại nếu các lỗi bit được phân tán vào chuỗi dữ liệu phát, ta có thể sửa lỗi bằng cách sử dụng một mã sửa lỗi như mã xoắn-convolutional code. Ở IS-95 và IS-2000 thực hiện việc chèn các mẫu lần lượt và các mẫu này tập hợp lại thành khối. Vì vậy, vị trí của từng mẫu trong block được truyền đến một khối vô tuyến nhưng khác với vị trí ở đầu vào. Chèn là kỹ thuật ngẫu nhiên hoá các bit trong một dòng tin nhắn, do đó các lỗi bất chợt sinh ra bởi kênh này có thể được chuyển đổi thành các lỗi ngẫu nhiên. Ở hình 3.3 , ta muốn gửi tin nhắn “ARE YOU SURE THAT THEY ARE COMING TO LUNCH WITH US” qua một kênh đang bị pha đinh. Có một cách để chèn vào tin nhắn là đưa nó vào một ma trận 4 hàng 10 cột. Ta chia tin đó ra làm 4 phần và đưa chúng vào 4 hàng. Sau đó lấy tin ra từ phía trên theo từng cột từng cột. Kết quả ngẫu nhiên hoá thông tin được gửi qua kênh truyền. Kênh này đưa ra một số lỗi ngẫu nhiên vào thông tin. Kết quả là các chữ cái gạch chân thu được theo thứ tự alphabe bị lỗi. Ở đầu thu, một deinterleaver sắp xếp lại cấu trúc thông tin bằng cách sử dụng ma trận giống như trên. Chỉ khác là trong trường hợp này deinterleaver đưa các thông tin thu được vào theo cột trước, sau đó đọc các thông tin ra theo hàng. Như chúng ta có thể thấy, các lỗi ngẫu nhiên thực sự được phân bố một cách ngẫu nhiên. Ở trường hợp này độ sâu chèn là 10. Hệ thống IS-95 CDMA sử dụng kỹ thuật chèn cho cùng mục đích. Thao tác chèn ở kênh lưu lượng đường về sử dụng một ma trận 32 hàng 18 cột (ở mức lớn nhất). Thao tác chèn ở kênh lưu lượng đường lên sử dụng 1 ma trận 24 hàng 16 cột (mức lớn nhất) CHƯƠNG 4 BĂNG TẦN VÀ CÁC KÊNH CDMA 4.1 Cấu trúc kênh CDMA – CDMA channel Cofiguration 4.1.1 Cấu trúc kênh hướng lên – Forward channel Configuration Bảng 4.1 và sơ đồ 4.1 thể hiện cấu trúc kênh đường lên Bảng 4.1 Cấu trúc kênh hướng lên Kênh Vai trò của kênh PILOT Duy nhất nhận dạng các Cell CDMA Cho phép SU tìm được hệ thống CDMA SYNC Cho phép đồng bộ hoá tức thời giữa SU và mạng CDMA
Truyền các thông số hệ thống thông tin đồng bộ PAGING Cung cấp cho SU các thông tin hệ thống, danh sách neighbor, truy cập danh sách thông tin và kênh CDMA TRAFFIC Truyền cuộc thoại và tín hiệu thông tin. (từ mạng đến các thuê bao) Kết nối hướng lên bao gồm đến 64 kênh logic độc lập (các kênh mã) truyền các dòng dữ liệu khác nhau ở tốc độ khác nhau và được điều chỉnh ở biên độ cụ thể. Mã Walsh được dùng để đánh địa chỉ của kênh. Kênh CDMA hướng lên 1.23MHz W0 Pilot channel W32 Synch Channel W1 Paging channel 1 Up to W7 Paging channel 7 W8 Traffic channel 1 Up to W63 Traffic channel 55 4.1.2 Cấu trúc kênh hướng về Bảng 4.2 Cấu trúc kênh hướng về Chanel Vai trò của từng kênh ACCESS Kênh nhắn tin Đươc sử dụng bởi SU để thiết lập liên lạc thông tin với BTS và trả lời kênh nhắn rin. TRAFFIC (từ thuê bao đến mạng) Truyền thoại và tín hiệu thông tin Kênh CDMA hướng về bao gồm 242-1 kênh logic. Một trong các kênh logic này được kết hợp với mỗi thuê bao một cách cố định và duy nhất. Trạm di động này sử dụng kênh logic
đó khi nó đi qua kênh lưu lượng. Các kênh logic khác được liên kết với trạm gốc cho việc truy cập hệ thống. Việc đánh địa chỉ hướng về này được thực hiện thông qua việc sử dụng 242-1 mã Long Code, là một phần trong quá trình trải phổ. Kênh CDMA hướng về Rộng 1.23MHz Kênh truy nhập 1 Kênh truy nhập 2 Kênh lưu lượng 1 Kênh lưu lượng N 4.2 Điều chế các kênh hướng lên Toàn bộ cấu trúc kênh CDMA hướng lên được thể hiện trong Figure 4.3 đến 4.6. Kênh CDMA hướng lên bao gồm các kênh sau: Kênh Pilot, một kênh đồng bộ, 1 đến 7 kênh tin nhắn và một số kênh lưu lượng. Mỗi các kênh mã này được trải trực giao cùng với hàm Walsh thích hợp và sau đó được trải bởi cặp chuỗi PN vuông góc (cầu phương) ở tốc độ chip cố định 1.2288Mcps (triệu chip/s) 4.2.1 Kênh Pilot Mã Walsh “0” luôn được dùng cho phân kênh Pilot. Kênh Pilot được thiết lập tất cả là mã “0” và được trải với tốc độ 1.2288Mcps Pseudo Noise và mã Walsh. 4.2.2 Kênh đồng bộ Đối với kênh đồng bộ, sử dụng mã Walsh cố định “32”. Tốc độ truyền dữ liệu gốc 12.2kps được mã hoá bằng bộ mã hoá xoắn. Sau khi lặp mẫu, dòng dữ liệu trở thành 4.8Ksps (mẫu/giây). Cuối cùng, dữ liệu được trải với tốc độ 1.2288Mcps bằng mã Walsh và nhiễu giả - Pseud Noise. 4.2.3 Kênh nhắn tin Mã phân kênh dùng cho các kênh nhắn tin là “1 - 7” . Tốc độ dữ liệu kênh nhắn tin là 4.8Kbps hoặc 9.6Kbps. Dữ liệu gốc được mã hoá xoắn và lặp khung, sau đó có tốc độ là19.2Kbps. Dữ liệu mẫu này được trải với mã Walsh, Long và nhiễu giả. Mã dài cũng được sử dụng cho quá trình trộn.. 4.2.4 Kênh lưu lượng hướng lên. Để tạo kênh, tất cả các mã Walsh khác được sử dụng ngoại trừ mã “0” dùng cho kênh Pilot, mã “32” dùng cho kênh đồng, mã “1-7” dùng cho kênh nhắn tin. Phần cuối của đoạn
mã được gán vào các dữ liệu có tốc độ khác nhau và chúng được mã hoá bằng mã xoắn và lặp mẫu. Mã dài và nhiễu giả được dùng để trải phổ 4.2.5 Khoá dịch pha cầu phương QPSK Hệ thống dùng phương pháp QPSK để gửi tín hiệu số trong không gian. Phương pháp QPSK có thể gửi được hai tin hiệu số song song. Tín hiệu trải phổ được chia ra làm hai dòng dữ liệu và được điều chế một cách riêng rẽ. Hình 4.7 4.3 Điều chế kênh hướng về Cấu trúc toàn bộ kênh CDMA hướng về được thể hiện trong Figure 4.8 đến 4.10. Dữ liệu truyền trên kênh CDMA hướng về được nhóm thành các khung 20ms. Tất cả các dữ liệu được truyền trên kênh CDMA hướng về được mã hoá xoắn, chèn khối, điều chế trực giao, trải phổ chuỗi trực tiếp trước khi truyền đi. 4.3.1 Kênh truy nhập Mã hoá xoắn và lặp khung mã hoá kênh truy nhập với phần mã còn lại có tốc độ 28.8kbps. Dữ liệu điều chế được trải trực giao với 64-ary có tốc độ 307.2kcps. Dữ liệu này được trải với mã dài có tốc độ 1.2288Mcps. 4.3.2 Kênh lưu lượng hướng về Dữ liệu có tốc độ truyền và lưu lượng khác nhau được mã hoá cuối cùng bằng mã xoắn và lặp khung 1.2288Mcps. Dữ liệu được trải với tốc độ307.2kcps bằng điều chế trực giao 64-ary và tiếp theo có tốc độ mã hoá 1.2288Mcps với mã dài 4.3.3 Khoá dịch pha QPSK Hệ thống sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch pha QPSK để gửi tín hiệu số trong không gian. Phương pháp điều chế này có thể gửi hai tín hiệu song song cùng lúc. Tín hiệu trải phổ được chia thành hai dòng dữ liệu và được điều chế riêng rẽ giống như ở đường lên. 4.4 Băng tần Có hai băng tần được chuẩn bị cho hệ thống CDMA. Một băng là 800MHz được gọi là băng tế bào và băng khác là 1.9GHz được gọi là PSC. 4.4.1 Băng tế bào Nhà thiết kế hệ thống Band Class 0 được dùng cho trạm di động và trạm thu phát vô tuyến nêu cụ thể ở bảng 4.3 Bảng 4.3 Đáp ứng tần số hệ thống band class 0 System Băng tần phát (MHz) Designator Mobile station Base station A 824.025 – 835.005 869.025 – 880.005 844.995 – 846.495 889.995 – 891.495 B 835.005 – 844.995 880.005 – 889.995 846.495 – 848.985 891.495 – 893.985
Độ rộng kênh, định dạng kênh CDMA và tần số phát trung tâm của Band Class 0 sẽ được nêu cụ thể rong bảng 4.4 Bảng 4.4 Xác định số kênh và tần số Transmiter CDMA channel CDMA Frequency number Assignment MHz 1 ≤ N ≤ 777 0.030N + 825.000 Mobile Station 1013 ≤ N ≤ 1023 0.030 (n-1023) + 825.000 1 ≤ N ≤ 777 0.030N + 870.000 Base Station 1013 ≤ N ≤ 1023 0.030 (N-1023) + 870.000 Khi kênh CDMA là 500, ta tính toán băng tần lên được sử dụng là: 0.03 x 500 + 870 = 885 Độ rộng băng là 1.23MHz với tần số trung tâm là (884.37Hz – 885.6Hz) 4.4.2 Băng PCS Các system designator Band Class 1 cho mobile station và base station thể hiện ở bảng 4.5 dưới đây: Block Băng tần phát designator Mobile station A D B E F C 5.1.2 Kết nối hướng về 5.1.2.1 Access Probes Một vấn đề phải được giải quyết ngay lập tức trong điều khiển công suất là công suất phát đầu tiên của trạm di động. Trước khi trạm di động thiết lập liên lạc với trạm gốc, trạm di động không thể được điều khiển công suất bởi trạm gốc. Vì vậy câu hỏi tất nhiên đặt ra đầu tiên là khi nào trạm di động có thể truy cập trạm gốc. Trạm di động sẽ phát ở mức công suất nào để gửi đi các yêu cầu của nó ? Tại thời điểm này, trạm gốc vẫn chưa liên lạc với thuê bao di động và trạm gốc vẫn chưa có thông tin về vị trí của thuê bao di động. Có hai lựa chọn: lựa chọn thứ nhất là trạm di động có thể truy cập trạm gốc ở mức công suất phát cao. Mức công suất cao đó làm tăng khả năng trạm gốc sẽ nhận được yêu cầu truy nhập của trạm di động. Tuy nhiên nhược điểm của công suất phát lúc đầu cao là nó tạo ra nhiễu cho các thuê bao khác hiện thời trong vùng phục vụ của cell đó. Lựa chọn thứ hai là trạm di động có thể gửi yêu cầu truy cập tới trạm gốc với mức công suất phát thấp. Công suất phát thấp đó rất có thể làm
giảm khả năng nhận yêu cầu truy cập từ trạm di động. Nhưng có ưu điểm là trạm di động này sẽ không gây ra nhiều nhiễu cho các trạm di động khác. Giải pháp cụ thể trong chuẩn IS-95 là đầu tiên khi trạm di động truy cập vào hệ thống, nó phát ra một series các tín hiệu dò truy cập – access probe. Tín hiệu dò tuy cập là một tập hợp các tín hiệu phát ở mức công suất tăng dần. Trạm di động phát tín hiệu dò truy cập đầu tiên của nó ở mức công suất tương đối thấp, sau đó nó đợi tín hiệu đáp ứng trở lại của trạm gốc. Trong giữa khoảng thời gian ngẫu nhiên trạm di động không nhận được sự chấp nhận của trạm gốc, sau đó trạm di động sẽ phát đi tín hiệu dò truy cập thứ hai ở mức công suất cao hơn. Quá trình này được lặp lại đến khi trạm di động nhận được tín hiệu chấp nhận phản hồi từ trạm gốc. Sự khác biệt công suất giữa tín hiệu dò truy cập hiện thời và tín hiệu dò truy cập trước đó được gọi là access probe correction (hình 5.5) Kích thước bước cho access probe correction được xác định bởi thông số hệ thống PWR STEP. Tiêu chuẩn này đẩy mạnh việc xác định rằng trạm di động nên sử dụng mức công suất nó nhận được từ trạm gốc để ước tính mức phát đầu tiên là bao nhiêu. Nói cách khác, nếu trạm di động thấy một tín hiệu mạnh từ trạm gốc sau đó nó xác định được rằng trạ gốc ở gần do đó nó khởi động công suất phát ở mức tương đối thấp. Nếu trạm di động thấy rằng công mức tín hiệu thu được từ trạm gốc yếu, nó xác định được rằng trạm gốc nằm ở khoảng cách xa và vì vậy nó khởi động công suất phát ở mức cao. Biết được công suất thu từ trạm gác, trạm di động có thể tính được mức suy hao hướng lên giữa nó và trạm gốc. Nếu nó biết được ERP (công suất bức xạ hiệu quả) của trạm gốc, sau đó trạm di động sẽ tính được nó phát ở mức công suất nào để bù vào suy hao đường truyền. Trong thực tế trạm di động không biết được ERP thực tế của trạm gốc hay công suất thu là bao nhiêu bị điều khiển, chi phối bởi các trạm gốc lân cận khác. Vì vậy, một mức mặc định không đổi được xác định theo chuẩn tải các thông tin điều khiển sử dụng các giả định có đặc điểm chung và ERPs của trạm gốc. Cụ thể, công suất phát khởi động của trạm di động, Pt,initial theo decibel là: Pt,initial = Pr – 73 + NOM_PWR + INIT_PWR 5.1 Như ta có thể thấy, thông số mặc định không đổi cho tế bào là –73. Các hệ thống PCS áp dụng giá trị -76. Hai thành phần điều chỉnh NOM_POWR và INIT_PWR có thể được điều chỉnh bởi người điều hành hệ thống để điều chỉnh đạt mức thích hợp hơn. Giá trị của hai thành phần điều khiển NOM_PWR và INIT_PWR này cũng như thông số PWR_STEP được trạm gốc phát đi (trong các bản tin về thông số truy cập) và được thu bởi trạm di động trước khi phát đi tín hiệu dò truy cập. Khi thu được hai thông số điều chỉnh này, trạm di động dùng chúng để quyết định mức công suất phát lúc đầu. 5.1.2.2 Open Loop Quá trình miêu tả ở trên được gọi là điều khiển công suất open-loop trong đó chỉ có sự điều khiển trạm di động mà không liên quan gì đến trạm gốc. Quá trình open-loop này tiếp tục ngay sau khi trạm gốc chấp nhận yêu cầu truy nhập của trạm di động và sau khi máy di động bắt đầu phát trên một kênh lưu lượng. Sau khi một cuộc gọi được thiết lập và máy di động di chuyển trong phạm vi của cell, suy hao đường truyền giữa máy di động và trạm gốc sẽ tiếp tục thay đổi. Kết quả là công suất thu tại máy di động sẽ thay đổi và bộ phận điều khiển công suất open-loop sẽ tiếp tục điều khiển
công suất thu p của máy di động và điều chỉnh công suất phát của máy thông qua phương trình sau: pt = -pr – 73 + NOM_PWR + INIT_PWR + (tổng cộng tất cả access probe correction) 5.2 Trong đó p là open loop liên tục ước tính của công suất phát máy di động. Sự khác biệt giữa 5.2 và 5.1 là 5.1 có thêm một số hạng được xác định bằng tổng của tất cả các access probe correction đã thực hiện trong quá trình phát đi tín hiệu dò truy nhập. Điều quan trọng cần lưu ý là sự điều khiển công suất open loop được nêu trong 5.2 được dựa trên ước tính suy hao đường truyền hướng lên. Sự điều khiển công suất này được dùng để bù vào hiện tượng biến đổi chậm-slow varying và log-normal shadowing trong đó có sự tương quan giữa suy giảm kết nối hướng lên và hướng về. Tuy nhiên do các kết nối hướng lên và hướng về ở trên các tần số khác nhau, sự điều khiển công suất open-loop là không đủ và quá chậm để bù vào pha đinh nhanh Rayleigh. Lưu ý rằng pha đinh nhanh Rayleigh phụ thuộc tần số và xuất hiện trên mỗi chiều dài nửa sóng. Nói cách khác vì pha đinh nhanh Rayleigh là phụ thuộc tần số, ta không thể dùng điều khiển công suẩt open-loop (xác định suy hao đường truyền hướng lên giống hướng xuống) để bù vào pha đinh nhanh Rayleigh. 5.1.2.3 Close Loop Điều khiển công suất close-loop để bù vào công suất thay đổi do pha đinh nhanh Rayleigh. close-loop là quá trình liên qua đến cả trạm gốc và trạm di động. Một khi máy di động phát trên kênh lưu lượng và bắt đầu liên lạc với trạm gốc, quá trình điều khiển công suất closed- loop đồng thời được thực hiện. Trong điều khiển công suất close-loop, trạm gốc liên tục điều khiển kết nối hướng về và đo chất lượng kết nối. Nếu chất lượng kết nối trở nên tồi thì trạm gốc sẽ yêu cầu máy di động thông qua kết nối hướng lên để tăng công suất. Nếu chất lượng kết nối tốt, tiếp sau đó sẽ só hiện tượng vượt công suất ở hướng kết nối về, trong trường hợp này trạm gốc sẽ yêu cầu máy di động giảm công suẩt. Lý tưởng là chỉ thị tỉ lệ lỗi khung-FER báo ở mức tốt. Nhưng trạm gốc phải mất một khoảng thời gian dài tổng hợp để tính toán FER, thông số E6/N0 được sử dụng như là chỉ thị chất lượng kết nối hướng về. Điều khiển công suất closed-loop ở kết nối hướng về như sau: 1. Trạm gốc liên tục điều khiển thông số E6/N0 trên hướng về kết nối. 2. Nếu tỉ số E6/N0 quá cao (ví dụ nếu vượt quá một ngưỡng nào đó) thì trạm gốc sẽ yêu cầu máy di động giảm công suất phát của nó. 3. Nếu tỉ số E6/N0 quá thấp (ví dụ dưới một mức ngưỡng nào đó) thì trạm gốc sẽ yêu cầu máy di động tăng công suất phát. Trạm gốc gửi yêu cầu điều khiển công suất thông qua đường lên. Các lệnh điều khiển công suất này ở dạng các bit điều khiển công suất (PCBs). Lượng tăng và giảm công suất của máy di động qua mỗi PCB trên danh nghĩa là + 1dB và – 1dB. Bởi vì điều khiển công suất closed-loop có nghĩa là chống lại pha đinh nhanh Rayleigh nên máy di động phải đáp ứng lệnh điều khiển công suất này rất nhanh. Vì lí do này mà PCBs được truyền trực tiếp qua kênh lưu lượng. Điều thực sự diễn ra là các bit đó được robbed từ kênh lưu lượng để gửi các bit PCBs này. Hình 5.6 thể hiện một sơ đồ khối đơn giản hóa một phần của việc tạo ra kênh lưu lượng hướng lên.
Đầu ra từ bộ mã hóa thoại và đầu vào bộ mã hóa xoắn có tốc độ 9.6Kbps (tốc độ cao nhất đối với Rate set 1). Tốc độ ½ bộ mã hóa xoắn gấp đôi tỉ lệ băng thông 19.2Kbps. Trước khi được trải phổ, tín hiệu PCBs ở tốc độ 800bps được nhân với dòng dữ liệu băng thông 19.2Kbps. Các bit PCBs được kết hợp vào kênh lưu lượng bằng cách robbing các bit được lựa chọn từ dòng băng thông. Bằng cách này, một “kênh” riêng ở tốc độ 800bps (cho mục đích điều khiển công suất) tồn tại trong kênh lưu lượng. Dòng bit PCBs ở tốc độ 800bps do đó được gọi là kênh phụ điều khiển công suất-power-control subchannel (PCS). Các PCBs này liên tục được trạm gốc truyền đến máy di động. Lưu ý rằng vì tốc độ truyền PCB là 800bps nên một PCB được gửi cứ (1/800) giây hay là 1.25ms. Hình 5.6 Khung của cả hai kênh lưu lượng ở hướng lên và về là 20ms. Vì một PCB được gửi đi cứ 1.25ms nên mỗi khung kênh lưu lượng có thể được chia thành (20ms/1.25ms) hay 16 đoạn. Các đoạn này được gọi là các nhóm điều khiển công suất chứa (19.2 x 103)(1.25 x 10 –3) = 24 bit. Hình 5.7 biểu diễn cấu trúc khung của kênh lưu lượng. Quá trình điều khiển công suất closed-loop được biểu diễn trong ví dụ hình 5.8. Ví dụ đối với PCG7, trạm gốc tính tỉ số SRN hay Eb/N0. Trạm gốc so sánh tỉ số Eb/N0 đã tính toán với mức ngưỡng. Nếu tỉ số tính toán này lớn hơn mức ngưỡng, trạm gốc sẽ truyền bit PCB 1 trong PCG9 trên hướng lên kênh lưu lượng. Nếu tỉ số tính toán này nhỏ hơn mức ngưỡng, trạm gốc sẽ chèn một bit PCB 0 vào PCG9 trên kênh lưu lượng hướng lên. Quá trình này được lặp lại ở các nhóm điều khiển công suất trong mỗi khung. Vì mỗi PCG chứa 24 bit (hình 5.7) PCB có thể được đưa vào bất kỳ vị trí nào của 16 vị trí đầu tiên. Vị trí chính xác của PCB trong PCG được quyết định trong pseudorandom fashion. Vị trí của bit PCB được quyết định bởi giá trị thập phân của 4 bit trọng số của đầu ra thập phân. Đầu dài của bộ thập phân là mã dài PN. Điều quan trọng là xác định được vị trí chính xác của PCB trong PCG là không cố định mà ngẫu nhiên.. Có thêm ba vị trí cho điều khiển công suất closed-loop nói trên. Các bit điều khiển công suất không được bảo đảm tránh lỗi. Như ta có thể thấy trong hình 5.7, PCBs được nhân với kênh lưu lượng sau khi được mã hóa xoắn. Do đó PCBs không được bảo vệ lỗi. Làm như vậy nhằm giảm trễ xảy ra trong mã hóa và tách các bit bảo vệ lỗi. Ghi nhớ rằng điều khiển công suất closed-loop được sử dụng để chống lại pha đinh nhanh Rayleigh, PCBs không được bảo vệ lỗi vì vậy máy di động có thể nhanh chóng khôi phục lại PCB và theo đó điều chỉnh công suất phát của nó. Kết quả là khả năng bit lỗi trên kênh phụ điều khiển công suất cao hơn trong kênh lưu lượng nếu không tiến hành biện pháp đặc biệt nào. Hình 5.7 Điều khiển công suất closed-loop có một loop trong và loop ngoài. Ta chỉ miêu tả quá trình loop trong của điều khiển công suất closed-loop . Với loop trong giả sử rằng cho trước một mức ngưỡng SRN nhờ đó có thể quyết định tăng hay giảm công suất. Do ta luôn cố gắng duy trì một mức FER chấp nhận được và trong môi trường si động không có quan hệ 1 với 1 giữa FER và Eb/N0, ngưỡng Eb/N0 phải được điều chỉnh linh hoạt để duy trì một tỉ lệ FER chấp nhận được. Sự điều chỉnh mức Eb/N0 này (được sử dụng trong điều khiển công suất ở loop
trong) liên quan đến loop ngoài của sự điều khiển công suất closed-loop (xem hình 5.9). Quá trình loop ngoài không được xác định trong tiêu chuẩn IS-95 và mỗi nhà cung cấp hạ tầng được tự do thực hiện thuật toán loop ngoài riêng. Lưu ý rằng thuật toán này luôn là độc quyền của nhà sản xuất. Điểm cuối cùng là đề cấp đến của điều khiển công suất closed-loop trong quá trình soft handoff. Hệ thống IS-95 CDMA sử dụng soft handoff khi một trạm di động di chuyển giữa 2 hoặc 3 cell. Soft handoff là quá trình trong đó máy di động suy trì kết nối với hai hoặc 3 trạm gốc cũng như chuyển đổi giữa chúng. Trong suốt quá trình soft handoff , trạm di động thu các khung kênh leu lượng từ hai hoặc 3 trạm gốc và trên các kênh lưu lượng này có thể xảy ra xung đột giữa các lệnh điều khiển công suất (ví dụ một trạm gốc có thể ra lệnh cho trạm di động tăng công suất trong khi đó trạm khác lại yêu cầu giảm). Trong trường hợp này, trạm di động áp dụng quy tắc: Nếu bất kì trạm gốc nào yêu cầu trạm di động giảm công suất, trạm di động sẽ giảm công suất. Trạm di động chỉ giảm công suất nếu tất cả các trạm gốc quan hệ đến soft handoff thì trạm di động sẽ tăng công suất. 5.1.2.4 Thực hiện open-loop và closed-loop. Máy di động phát ra công suất và vì vậy nó có chức năng điều khiển công suất open-loop và closed-loop của hệ thống. Phương trình 5.2 có thể được sửa để thêm vào closed-loop power correction; đó là: pt = -pr – 73 NOM_PWR + INIT_PWR + (tổng tất cả access probe correction) + (closed-loop correction) 5.3 Biểu đồ 5.10(a) và 5.10(b) biểu diễn một quá trình điều khiển công suất hướng về. Đối với điều khiển công suất closed-loop, trạm gốc có toàn bộ loop ngoài cũng như là một phần của loop trong; trạm di động có phần khác của loop trong. Đối với điều khiển công suất open- loop, toàn bộ phần open-loop thực hiện tại máy di động. Ở hình 5.10(a), trạm gốc thu tín hiệu kết nối hướng về từ máy di động. Đầu tiên trạm gốc giải điều chế tín hiệu và ước tính FER của tín hiệu kết nối hướng về. Chất lượng khung thông tin trên đường kết nối hướng về được đưa vào một ngưỡng của máy tính, từ đó điều chỉnh tỉ số Eb/N0 dựa vào chất lượng khung thu được. Cùng lúc đó trạm gốc cũng thực hiện phép tính tỉ số Eb/N0 của kết nối hướng về. 5.1.3 Forward Link Lý tưởng thì không cần có sự điều khiển công suất ở đường lên. Lý do là trạm gốc phát đi các kênh một cách rõ ràng trên cùng một băng RF. Như hình 5.11 chỉ ra, nếu tạp âm nhiệt và nền được bỏ qua thì tất cả các user cùng giảm công suất khi tín hiệu tổng hợp đến từng máy di động. Tuy nhiên trong thực tế, một máy di động nào đó có thể có thể gần khu vực nhiễu nặng và có nhiễu nền lớn thì tín hiệu tổng hợp đến máy di động ở dạng tạp nhiễu nhiệt. Vì vậy vẫn cần thiết phải điều khiển công suất hướng lên. Tuy nhiên nhìn chung yêu cầu điều khiển công suất không lớn như ở đường về. IS-95 xác lập tiêu chuẩn rằng phải thông báo lại cho trạm gốc về chất lượng của đường lên. Máy di động tiếp tục giám sát chất lượng FER hướng lên và thông báo trở lại trạm gốc tình trạng FER được gọi là tin báo đo đạc công suất-power measurement report message (PMRM).
Nó có thể gửi thông báo này theo hai cách: cách thứ nhất là nó thông báo PMRM theo chu kỳ, cách khác là máy di động chỉ thông báo PMRM nếu FER vượt quá một mức ngưỡng nào đó. Trạm gốc biết được chất lượng của đường lên, sau đó có thể điểu chỉnh công suất phát của máy di động đó. Thuật toán chính xác cho việc phân bố công suất là do nhà sản xuất tự đặt riêng. Quá trình này hầu hết luôn là bí quyết của nhà sản xuất. 5.2 Rake Reception Trong các hệ thống tế bào và PCS của CDMA, kết nối hướng lên site-to-mobile và kết nối hướng về mobile-to-cell sử dụng bộ thu “four-finger” Rake. Thuật ngữ “n-finger” Rake chỉ ra số đường có thể được kết hợp là n. Thuật ngữ “Rake” trong IS-95 miêu tả thiết kế phía thu hơi khác một chút so với đề xuất đầu tiên được đưa ra bởi Price và Green. Thu Rake ở IS-95 dò tìm và đo thông số của nhiều tín hiệu có thể được dùng để thu phân tập và mục đích chuyển giao mềm và tập hợp các đường tín hiệu một cách rõ ràng (ví dụ trong đồng bộ mẫu) sau khi giải điều chế mỗi đường tín hiệu. Việc dò và đo đạc các thông số đa đường được thực hiện bởi một bộ dò thu “searcher- receiver” đã được lập trình để so sánh những tín hiệu đến với các phần của các mã PN kênh I và Q. Các tín hiệu đa đường đến thiết bị thu tự nó biểu thị sự tương quan giữa các đỉnh ở các thời gian khác nhau. Cường độ của đỉnh tương ứng với hình bao của đường tín hiệu, thời gian của mỗi đỉnh, liên quan đến tín hiệu thu đầu tiên, đưa ra số liệu về trễ đường. Như vậy rõ ràng là trong thiết kế IS-95 đi tới việc xác định những đường nào tồn tại. Vì tất cả các trạm gốc đều sử dụng cùng mã PN Q và I, chỉ khác ở pha, không chỉ đa đường mà các trạm gốc khác thậm chí sẽ được nhận dạng bởi sự tương quan với phần các mã tương ứng với các trạm gốc được lựa chọn. Do đó bộ dò thu có thể duy trì một danh sách các tín hiệu đa đường hoặc trạm gốc mạnh hơn cho việc kết hợp phân tập hoặc chuyển giao mềm. Để có ích, danh sách các tín hiệu phải được ghi lại thời gian đến, mức độ và mã PN tương ứng. Trên hướng về, phần thu của trạm gốc có nhiệm vụ nhận dạng một thuê bao nào đó bằng cách sử dụng gốc thời gian đến của mã Q và I để lọc lấy tín hiệu xin truy nhập từ thuê bao xin truy nhập vào trạm gốc. Bộ thu quét tại trạm gốc có thể nhận dạng tín hiệu mobile mong muốn bằng cách duy nhất bù mã PN dài hỗn hợp, thực hiện trước khi truyền thoại hoặc dữ liệu qua kết nối, sử dụng “mở đầu đặc biệt” - special preamble cho mục đích trên. Khi thực hiện cuộc gọi, bộ thu quét có thể giám sát cường độ của các đường từ thuê bao đến trạm gốc và sử dụng nhiều hơn một đường thông qua đa dạng kết nối. 5.3 Chuyển giao mềm – Soft handoff Trong môi trường thông tin di động, khi một user di chuyển từ một vùng phủ sóng của một trạm gốc đến vùng phủ sóng của một trạm gốc khác, phải có chuyển giao mềm để chuyển đổiliên kết thông tin từ một trạm gốc đến trạm gốc khác. Hệ thống CDMA như đã nói sử dụng các quá trình hỗ trợ chuyển giao mềm khác nhau theo IS-95. Trong phần này chúng ta sẽ
nói về sự chuyển giao này đặc biệt là chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn và hiệu quả chống pha đinh của chúng. Chuyển giao mềm: là sự chuyển giao xảy ra khi thuê bao dịch chuyển giữa hai vùng phục vụ của hai trạm gốc cạnh nhau. Chuyển giao mềm hơn: là sự chuyển giao xảy ra khi một thuê bao dịch chuyển trong vùng phục vụ của hai sector khác nhau trong cùng một trạm gốc. Đầu tiên, ta nói về chuyển giao mềm-Soft handoff. Trong mục 5.2, chúng ta đề cập vắn tắt rằng trong hệ thống CDMA sử dụng chuyển giao mềm, ở đó, trong suốt quá trình chuyển giao, một trạm di động đồng thời duy trì kết nối với hai hoặc 3 trạm gốc. Khi trạm gốc di chuyển từ tế bào hiện thời (trong vùng phục vụ hiện thời của trạm gốc-source cell) đến tế bào kế tiếp (target cell), một kết nối kênh lưu lượng đồng thời được duy trì giữa các cell. Hình 5.13a và 5.13b miêu tả kết nối đồng thời trong quá trình chuyển giao mềm. Ở hướng lên (hình 5.13a), máy di động sử dụng biện pháp thu rake để giải điều chế hai tín hiệu từ hai trạm gốc khác nhau. Hai tín hiệu này được kết hợp lại để tạo ra một tín hiệu tổng hợp có chất lượng tốt hơn. Ở hướng về (hình 5.13b), tín hiệu phát đi từ trạm di động được thu lại ở cả hai trạm gốc. Hai trạm gốc này giải điều chế tín hiệu một cách độc lập và gửi các khung tín hiệu điều chế trở lại trung tâm chuyển mạch di động (MSC). MSC có các bộ chọn lựa chọn ra khung tốt nhất trong hai khung vừa gửi lại. Thứ hai ta nói về chuyển giao mềm hơn Softer handoff. Kiểu chuyển giao này xuất hiện khi một thuê bao di chuyển giữa hai sector khác nhau trong cùng một cell. Ở đường lên, trạm di động thực hiện quá trình kết hợp giống như kiểu ở đường lên trong chuyển giao mềm. Trong trường hợp này, trạm di động sử dụng bộ thu rake của nó để kết hợp hai tín hiệu thu được từ hai sector khác nhau. Tuy nhiên ở đường về, hai sector trong cùng một cell đồng thời thu được hai tín hiệu từ trạm di động. Các tín hiệu được giải điều chế và tổng hợp lại tại trạm gốc,và chỉ có một khung được gửi trở lại MSC. Thứ ba là chuyển giao cứng. Hệ thống CDMA sử dụng hai kiểu chuyển giao cứng. Chuyển giao cứng CDMA-to-CDMA xảy ra khi trạm di động chuyển đổi giữa hai sóng mang CDMA (ví dụ hai kênh trải phổ được lấy làm trung tâm ở hai tần số khác nhau). Chuyển giao cứng này cũng có thể xuất hiện khi thuê bao di chuyển giữa hai nhà phân phối mạng khác nhau. Đôi khi chuyển giao CDMA-to-CDMA được gọi là chuyển giao D-to-D. Mặt khác, chuyển giao CDMA-to-analog xuất hiện khi một cuộc gọi CDMA được thực hiện với mạng analog. Chuyển giao này cũng có thể xảy ra khi một thuê bao di chuyển vào mộ vùng có dịch vụ analog nhưng không có dịch vụ CDMA. Chuyển giao CDMA-to-analog đôi khi được gọi là chuyển giao D-to-A. Trước khi chúng ta miêu tả chi tiết quá trình chuyển giao mềm, điều quan trọng cần lưu ý là mỗi sector trong hệ thống CDMA được nhận dạng bởi các sector khác thông qua kênh pilot của sector đó. Hình 5.14 chỉ ra kênh pilot là một trong 4 kênh pilot logic, nhắn tin, đồng bộ và kênh lưu lượng ở hướng lên. Kênh pilot được dùng như thành phần nhận dạng của sector đó và trợ giúp cho trạm di động trong việc truy nhập vào các kênh logic của chính sector đó. Không có thông tin gì chứa trong kênh pilot ngoài mã PN ngắn với một ofset ứng với sector đó. Ghi nhớ rằng chuỗi PN với một offset khác thì trở thành một chuỗi PN khác và chính chuỗi
offset PN này trực giao với chuỗi PN gốc. Mã PN truyền trênh kênh pilot sử dụng chất lượng này để tự phân biệt nó với các sector khác và trạm gốc khác. Điểm offset của một chuỗi PN cùng với một sector cụ thể được xác định thông qua thông số PILOT PN của sector đó. Hình 5.14 Một thuật ngữ đặc biệt được dùng để miêu tả tỉ số SRN của kênh pilot: năng lượng mỗi chip trên mỗi đơn vị mật độ nhiễu-energy per chip per interference density hay Ec/I0. Năng lượng mỗi chip-Ec khác với năng lượng mỗi bit-Eb trong các chip đó tương ứng với các chuỗi PN được trải phổ. Vì trong kênh pilot không chứa thông tin băng gốc nên pilot không được nén phổ và các bit không được phục hồi. Vì vậy, để biểu diễn cường độ tín hiệu của kênh pilot, ta dùng thông số thô SRN hoặc Ec/I0. Lưu ý rằng do kênh pilot không được nén phổ, tỉ số E c/I0 luôn ở mức nhỏ hơn 1 trong hầu hết thời gian. 5.3.1 Duy trì danh sách – Set Maintenance Trong CDMA, máy di động là một thành tố quan trọng trong quá trình chuyển giao mềm. Trạm di động liên tục lưu ý trạm gốc đến điều kiện đường truyền tại đó; trạm gốc sử dụng thông tin này làm quyết định chuyển giao. Sự hỗ trợ chuyển giao di động mobile-assisted handoff (MAHO) là bằng chứng để đo kết nối hướng lên E c/I0 và thông báo kết quả đo về trạm gốc. Do mỗi trạm gốc đều phát ra tín hiệu pilot của riêng nó trên các PN offset khác nhau, tỉ số Ec/I0 của pilot đưa ra một chỉ dẫn rõ ràng liệu một sector cụ thể có là một sector phục vụ cho mobile đó không. Trong quá trình thực hiện chuyển giao, mobile duy trì lưu trong bộ nhớ của nó 4 danh sách riêng của các sector của trạm gốc. Những danh sách trên cũng được gọi là set và set hiện thời. Danh sách (A) hiện thời bao gồm các pilot của các sector mà đang liên lạc với mobile trên các kênh lưu lượng. Nếu danh sách đang hoạt động chỉ gồm một pilot thì mobile không ở trong trạng thái chuyển giao. Nếu set hiện thời bao gồm nhiều hơn 1 pilot, thi mobile đang duy trì kết nối với tất cả các sector trên các kênh lưu lượng khác nhau. Cuối cùng trạm gốc điều khiển quá trình chuyển giao bởi vì một pilot chỉ có thể được chèn vào set hiện thời nếu trạm gốc gửi một tin hướng chuyển giao – handoff direction message đến mobile và tin nhắn có chứa pilot cụ thể được chèn vào set đó. Set hiện thời có thể chứa ít nhất 6 pilot. Các set dự bị chứa các pilot có tỉ số Ec/I0 đủ để thực hiện chuyển giao các set. Điều này có nghĩa là nếu tỉ số Ec/I0 của một pilot cụ thể lớn hơn ngưỡng dò pilot T_ADD thì pilot đó sẽ được thêm vào. Một pilot bị loại khỏi set này và đặt vào set kia nếu mức của tín hiệu pilot đó thấp hơn ngưỡng T-DROP trong quá trình xác định bởi giá trị handoff drop timer expiration value TTDROP. Các set chờ có thể chứa ít nhất 6 pilot. Lưu ý rằng một pilot có thể bị bỏ khỏi một active và cài vào một set khác nếu tin nhắn hướng chuyển giao mềm – handoff direction message nhận được không chứa pilot cụ thể đó; và nếu mức T_TDROP của pilot đó chưa expired thì pilot đó bị removed khỏi active set đó và đặt vào một set chờ khác. Set bên cạnh (N) chứa các pilot này nằm trong “danh sách gần bên” của vùng phục vụ hiện thời của máy di động đó. Lúc đầu các set gần bên chứa các pilot được gửi đến mobile ở trong neighbor list message bởi trạm gốc hiện thời. Để lưu giữ các pilot hiện thời trong neighbor set,
máy di động đếm thời gian của mỗi pilot trong các set. Bộ đếm bắt đầu từ 0 khi pilot di chuyển từ active pilot hoặc các pilot chờ khác đến set lân cận. Bộ đếm được tăng với mỗi pilot trong set lân cận bất cứ khi nào nhận được thông tin cập nhật danh sách set lân cận – neighbor list update message. Pilot được chuyển từ set này đến các set còn lại nếu bộ đếm vượt NGHBR MAX_AGE. Các set lân cận có thể chứa ít nhất 20 pilot. Lưu ý rằng pilot có thể được chuyển từ active set đến set lân cận nếu thông tin hướng chuyển giao mềm không chứa pilot cụ thể và nếu mức T_TDROP của pilot đó chưa expired, pilot đó sẽ bị chuyển từ set hiện thời đến set lân cận. Các set còn lại (R-remaining) chứa tất cả các pilot có thể trong hệ thống cho tần số sóng mang CDMA này, ngoại trừ các pilot đang dùng, chờ và các set lân cận. Các pilot PN offset trong các set này dược xác định bởi sự thay đổi thông số pilot PILOT INC. Ví dụ nếu PILOT INC là 4 thì các sector riêng rẽ trong hệ thống chỉ có thể phát các pilot với các offset là 0, 4, 8, 12 và bước 4. PILOT INC được gửi đến mobile trong thông tin danh sách lân cận và thông tin cập nhật danh sách lân cận. 5.3.2 Quá trình handoff Trong ví dụ sau, chúng ta kiểm tra quá trình chuyển giao từ cell gốc đến cell đích. Như hình 5.15 chỉ ra, thuê bao di chuyển từ vùng phục vụ của cell gốc A sang cell đích B. Sau đây là quá trình các chuỗi sự kiện xảy ra trong quá trình chuyển đổi. 1. Máy di động ở đây được phủ sóng chỉ bởi cell A và set hiện thời của nó chỉ chứa pilot A. Máy di động đo mức pilot B có E xấp sỉ 11 và thấy nó lớn hơn T ADD. Máy di động gửi thông tin kết quả tính toán mức pilot và chuyển pilot B từ neighbor set vào candidate set . 2. Máy di động nhận được một thông tin hướng chuyển giao từ cell A. Thông tin này hướng mobile bắt đầu liên lạc qua một kênh lưu lượng mới ở cell B; thông tin đó chứa PN offset của cell B và mã Walsh của kênh lưu lượng mới được thiết lập. 3. Máy di động chuyển pilot B từ candidate set sang active set. Sau khi chiếm được kênh lưu lượng hướng lên đã được xác định trong thông tin hướng chuyển giao, máy di động gửi một thông tin hoàn tất chuyển giao. Bây giờ active set chứa hai pilot 4. Máy di động kiểm tra xem hiện thời pilot A có mức dưới T_DROP. Máy di động khởi động đồng hồ đếm. 5. Khi đồng hồ đếm đạt mức T_DROP, nó gửi kết quả đo mức pilot đi. 6. Máy di động nhận được thông tin hướng chuyển giao. Thông tin này chỉ chứa PN offset của cell B. PN offset của cell A không nằm trong gói thông tin này. 7. Máy di động chuyển pilot A từ active set sang neighbor set và nó gửi một thông tin hoàn thành chuyển giao. 5.3.3 Dò Pilot Thêm nữa để được trải phổ bằng mã Walsh, đường lên cũng được trải phổ bằng một chuỗi PN (với 1 PILOT PN offset xác định) với tốc độ 1.2288cps. Tín hiệu hướng lên này giống tất cả các tín hiệu được truyền qua môi trường di động có thể gây ra phản xạ do ở trong môi