Một Số Kỹ Thuật Trong Wcdma

Chương 3. Một số giải pháp kỹ thuật trong WCDMA

CHƯƠNG 3

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG WCDMA

Giới thiệu:

Với những cải tiến về kỹ thuật: kỹ thuật mã hóa, điều chế số, điều khiển công suất,

hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3 – WCDMA đã tăng dung lượng đường tryền

một cách đáng kể đồng thời cung cấp các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao ( 384 Kbps đến

2 Mbps) và truyền thông đa phương tiện. Tính bảo mật thông tin của hệ thống được

đảm bảo nhờ kỹ thuật trải phổ trực tiếp, sử dụng các bộ mã giả ngẫu nhiên PN, mỗi

thuê bao được xem như là tạp âm nhiễu của thuê bao khác.

Mục đích của chương:

Tìm hiểu các kỹ thuật sử dụng trong WCDMA:

Kỹ thuật mã hóa.

Kỹ thuật điều chế số.

Kỹ thuật trải phổ.

Kỹ thuật chuyển giao.

3.1 Mã hóa

Trong thông tin di động, ba dạng mã hoá kiểm soát lỗi được sử dụng là: Mã

khối tuyến tính hay cụ thể là mã vòng, mã xoắn hay mã chập, mã turbo.

Trong đó mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi còn hai mã còn lại được sử dụng

để sửa lỗi và thường được gọi là mã kênh. Mã Turbo được sử dụng ở các hệ thống

thông tin di động thế hệ ba khi tốc độ bit cao.

3.1.1 Mã vòng

Mã vòng cho phép kiểm tra dư vòng (CRC= Cyclic Redundancy check) hay

chỉ thị chất lượng khung ở các bản tin. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến

tính. Bộ mã hoá được đặc trưng bằng đa thức tạo mã. Cứ k bit vào thì bộ tạo mã cho

1


ra một từ mã n bit, trong đó n-k bit là các bit CRC được bổ sung vào k bit đầu vào.

Bộ mã này có tỉ lệ mã là r=k/n. Ở mã này từ mã được rút ra từ hai đa thức: đa thức

tạo mã G(X) bậc n-k và đa thức bản tin M(X), trong đó X là toán tử trễ. Từ mã được

tính toán như sau:

- Nhân đa thức bản tin M(X) với Xn-k.

- Chia tích M(X).Xn-k nhận được ở trên cho đa thức tạo mã để được phần dư R(X).

- Kết hợp phần dư với tích trên ta được đa thức từ mã

C(X)= M(X).Xn-k + R(X)

Các đa thức tạo mã được sử dụng ở hệ thống thông tin di động thế hệ ba để tính

toán các CRC có thể là:

GCRC24(X) = X24 + X23+ X6+X5+ X +1

GCRC16(X) = X16+ X12+ X5 +1

GCRC12(X) = X12 + X11+ X3 + X2+X +1

GCRC8(X) = X8 + X7+ X4 + X3 + X + 1

Ví dụ:

M(X) = 1101011011 (k=10)

G(X)=10011 bậc n-k =4, n=14, thêm 4 số 0 vào M(X)

M(X).Xn-k = 11010110110000

Chia M(X).Xn-k cho G(X) lấy phần dư ghép vào bản tin gốc từ mã phát đi

2


CRC Example

Checksummed frame will be transmitted:(Frame with 4 zero bits are appended minus remainder)

1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0

27

Ogrinal frame Checksum

3.1.2 Mã xoắn (mã chập)

Ở mã xoắn một khối n bít mã được tạo ra không chỉ phụ thuộc vào k bit bản

tin đầu vào mà còn phụ thuộc vào các bit bản tin của các khối trước đó. Mã xoắn

được xác định bằng các thông số sau:

- Tỷ lệ mã: r = k/n

- Độ dài hữu hạn k (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch tạo nên bộ mã

hoá).

Một bộ mã hoá xoắn gồm một thanh ghi dịch tạo thành từ các phần tử nhớ,

các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo một qui luật nhất định để

tạo nên các chuỗi mã, sau đó các chuỗi này được ghép xen với nhau tạo chuỗi mã

đầu ra.

3


Mã chập cũng được đặc trưng bởi hai số nguyên là n và k như mã khối, nhưng n bit

ra khỏi bộ mã hóa không chỉ phụ thuộc vào k bit vào mà còn phụ thuộc vào K-1 bộ

k bit vào trước đó. K được gọi là độ dài ràng buộc (constraint length). Mã chập (n,

k, K) được xây dựng từ các thanh ghi dịch k bit. Vậy có thể xem mã chập là mã có

nhớ, đó là điểm khác biệt cơ bản của mã chập so với mã khối.

3.1.3 Mã Turbo

Mã Turbo là sự kết nối của hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra một bộ

mã tốt hơn và cũng lớn hơn. Có hai kiểu kết nối cơ bản: kết nối nối tiếp và kết nối

song song. Với mã nối tiếp thì thông thường bộ mã hoá 1 là mã R-S (Reed Solonon)

còn bộ mã hoá 2 là mã chập. Ta cũng có thể dùng các bộ mã khối để thay thế các bộ

mã hoá này.

Trong bộ mã Turbo sử dụng một bộ mã tích chập đặc biệt: mã tích chập hệ

thống đệ quy (Recursive Systematic Convolutional Code_RSC). Mã tích chập có

tính hệ thống là mã tích chập mà có một phần từ mã ở ngõ ra chính là dãy tin đầu

vào, tức là đầu vào của dãy tin được đưa trực tiếp đến một trong những ngõ ra của

bộ mã. Do cấu trúc như vậy nên yêu cầu của bộ mã hóa và giải mã ít phức tạp hơn

so với mã không hệ thống.

Một bộ mã tích chập thông thường được biểu diễn qua các chuỗi g1= [1 1 1]

và g2 = [ 1 0 1] và có thể được viết là G = [ g1, g2]. Bộ mã hoá RSC tương ứng bộ

mã hoá tích chập thông thường đó được biểu diễn là G = [ 1, g2/g1 ] trong đó ngõ ra

đầu tiên ( biểu diễn bởi g1) được hồi tiếp về ngõ vào, g1 là ngõ ra hệ thống, g2 là ngõ

ra feedforward.

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho ra các từ mã có trọng

số cao hơn so với bộ mã hoá không đệ quy, nghĩa là bộ mã tích chập đệ quy cho ra

ít từ mã có trọng số thấp và cũng dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn.

Hình 3.1 chỉ ra sơ đồ mã hóa mã Turbo kết nối song song với hai bộ mã RSC

thành phần.

4


Hình 3.1 Bộ mã hoá turbo kết nối song song

Mỗi bộ mã hoá RSC được gọi là các bộ mã thành phần (constituent code).

Các bộ mã thành phần có thể khác nhau, tốc độ mã khác nhau nhưng có cùng cỡ

khối bit ngõ vào là k, các chuỗi mã hoá ngõ ra bao gồm một chuỗi hệ thống (chuỗi

bit vào). Ở bộ mã hoá thứ hai, chuỗi bit nhận vào để mã hoá trước hết phải qua một

bộ chèn. Tất cả các chuỗi mã hoá ngõ ra sẽ được hợp lại thành một chuỗi bit duy

nhất n bit trước khi truyền. Hình 3.2 ví dụ về mã turbo ứng dụng trong hệ thống

UMTS .

Hình 3.2 Mã Turbo dùng trong hệ thống UMTS

5


3.2 Phương thức điều chế

3.2.1 Phương thức điều chế PSK

PSK là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến

đổi theo tín hiệu băng tần gốc.

Giả sử tín hiệu sóng mang được biểu diễn: f0 (t)=cos( t+ )

Biểu thức tín hiệu băng gốc s(t) là tín hiệu dạng nhị phân (0,1) hay là một dãy NRZ

(Non-Return Zero). Khi đó tín hiệu điều pha PSK có dạng:

P(t) = cos { ωot + φ + [s(t).∆ϕ] /2}

Trong đó: = 2 /n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu.

Biểu diễn tín hiệu theo kiểu cầu phương:

P(t) = cos { ωot + φ + [s(t).∆ϕ] /2}

= cos { [s(t).∆ϕ] /2}.cos( ωot + φ)- sin{ [s(t).∆ϕ] /2}.sin( ωot + φ)

Đặt a(t) = cos { [s(t).∆ϕ] /2}

b(t)= - sin{ [s(t).∆ϕ] /2}

P(t)= a(t). cos( ωot + φ)+ b(t). sin( ωot + φ)

Vậy tín hiệu điều pha là tổng của hai tín hiệu điều biên vuông góc nhau.

3.2.2 Phương thức điều chế BPSK

Với n= 2, = π thì ta có kiểu điều chế BPSK (2-PSK). Tín hiệu BPSK có dạng:

P(t) = cos { ωot + φ + [s(t). π /2}

6


Hình 3.3 Tín hiệu BPSK

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực và sơ đồ điều chế này sử dụng

một trong hai pha lệch nhau 1800.

- Với các bít 1: P1(t)=cos{ + + }

- Với các bít -1: P-1(t)=cos{ + - }

Như vậy, biên độ của tín hiệu BPSK không đổi trong quá trình truyền dẫn,

nhưng bị chuyển đổi trạng thái.

Hình 3.4 Biểu đồ vectơ của BPSK

7


3.2.3 Phương thức điều chế QPSK

Với n= 4, = ta có kiểu điều chế 4- PSK hay QPSK. Tín hiệu QPSK có

dạng:

P(t) = cos (ωot + φ + s(t). } )

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực nhận 4 giá trị. Sơ đồ nguyên

lý bộ điều chế 4- PSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 900 được gọi là 4- PSK

hay PSK cầu phương (QPSK).

b(t)=±1

s(t) P(t)

a(t)= ±1

Sóng mang chuẩn f0(t)

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK

Tín hiệu băng gốc được được đưa vào bộ biến đổi nối tiếp thành song song,

đầu ra được hai luồng số liệu có tốc độ bít giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi tín

hiệu đơn cực thành tín hiệu ±1. Hai sóng mang đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha

nhau 900. Tổng hợp tín hiệu đầu ra hai bộ trộn ta được tín hiệu QPSK. Tín hiệu ra ở

hai bộ trộn:

M1 (t) = a(t).cos ωo.t M2 (t)= b(t).sin ωot với a(t)= ±1 b(t)=±1

SPC Bộ quay pha 90°

8


Tín hiệu QPSK là:

P(t) = a(t)cos ωo.t + b(t)sin ωot

Sơ đồ tín hiệu QPSK và Biểu đồ vecto được mình họa như sau:

Hình 3.6 Tín hiệu QPSK và biểu đồ vecto

3.2.4 Phương thức điều chế biên độ cầu phương QAM

Điều chế biên độ cầu phương là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế

biên độ ASK và điều chế pha PSK. Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện

điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc

900. Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha:

Q1(t) = a(t).cos [ωot + φ1(t)] và Q2(t) = b(t).sin [ωot + φ2(t)]

Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần ss(t) và sc(t) và được biểu diễn như sau:

= 1 + 2 = a(t).cos [ωot + φ1(t)] + b(t).sin [ωot + φ2(t)]

9


Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa

nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm đây cũng chính là ưu điểm của QAM.

t/h

s(t) M-QAM

sóng mang

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu M-QAM

Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành 2 chuỗi tín hiệu

NRZ song song. Bộ biến đổi 2/L có chức năng chuyển đổi chuỗi NRZ thành chuỗi

tín hiệu có L= . Với L= 4 thì M=16, ta có điều chế 16-QAM và với L= 8 thì

M=64 ta có điều chế 64-QAM.

Hình 3.8 Biểu đồ không gian tín hiệu 16-QAM

SPC

2/L LPF

2/L

LPF

Bộ quay pha 90°

10


Hình 3.9 Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái

3.3 Trải phổ

3.3.1 Trải phổ trong WCDMA

3.1.1.1 Các hệ thống thông tin trải phổ

Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề quan

tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần

càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ, độ rộng băng tần cần thiết để phát

một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các

hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn

phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có

cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong

trường hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK, QPSK v.v...).

Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ

rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi

được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như

vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử

dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng

băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.

11


Một hệ thống thông tin số được coi là SS nếu:

- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối

thiểu cần thiết để phát thông tin.

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu.

Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence

Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum)

và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum). Cũng có thể nhận

được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên. WCDMA sử dụng DSSS,

DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có

tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb

là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hình 3.10 minh họa quá trình trải phổ

trong đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb. Hình 3.10a cho thấy sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ

DSSS trong đó luồng số cần truyền x có tốc độ Rb được nhân với một mã trải phổ c

tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của

luồng vào. Các hình 3.10b và 3.10c biểu thị quá trình trải phổ trong miền thời gian

và miền tần số.

Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x

bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c

12


Hình 3.10 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t), y(t) và c(t) ký

hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f), Y(f) và C(f)

ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số; Tb là thời gian

một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit của luồng số cần truyền; Tc là

thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã trải phổ.

Rc=15Rb và Tb=15Tc.

3.1.1.2 Áp dụng DSSS cho CDMA

Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, một tập mã trực

giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng. Các mã

trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:

1. Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci×ci=1.

2. Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci×cj=ck.

3. Có số bit 1 bằng số bit -1 trong một mã → 1

1 0N

kk

CN =

=∑ , trong đó N là số

chip và Ck là giá trị chip k trong một mã.

13


Bảng 3.1. cho thấy thí dụ sử dụng bộ mã gồm tám mã trực giao: c0, c1, …, c7.

Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy thí dụ khi nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được 1 và

nhân hai mã khác nhau trong bảng 3.1 ta được một mã mới.

Bảng 3.1 Thí dụ bộ tám mã trực giao

c0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1

c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1

c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1

c4 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1

c5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1

c6 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1

c7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1

Bảng 3.2 Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một

c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1

× × × × × × × × ×

c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1

c1×c1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

Bảng 3.3 Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1

c1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1

× × × × × × × × ×

c3 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1

= c2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1

14


Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA,

thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào không gian tập các tín hiệu y như

sau:

1 1

K K

i i ii i

y y c x= =

= =∑ ∑ (3.1)

Ta xét quá trình xử lý tín hiệu này tại một máy thu k. Nhiệm vụ của máy thu này là

phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác (các tín hiệu này được gọi là nhiễu đồng

kênh vì trong hệ thống CDMA chúng được phát trên cùng một tần số với xk). Nhân

(3.1) với Ck và áp dụng quy tắc trực giao nói trên ta được:

Thành phần thứ nhất trong (3.2) chính là tín hiệu hữu ích còn thành phần thứ

hai là nhiễu của các người sử dụng còn là nhiễu của các người sử dụng khác được

gọi là MAI (Multiple Access Interferrence: nhiễu đa người sử dụng). Để loại bỏ

thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trọng miền thời gian kết hợp

với bộ lọc tần số trong miền tần số. Hình 3.11 xét quá trình giải trải phổ và lọc ra tín

hiệu hữu ích tại máy thu k trong một hệ thống CDMA có K người sử dụng với giả

thiết công suất phát từ K máy phát như nhau tại đầu vào máy thu k. Hình 3.11a cho

thấy sơ đồ giải trải phổ DSSS. Hình 3.11b cho thấy phổ của tín hiệu tổng được phát

đi từ K máy phát sau trải phổ, hình 3.11c cho thấy phổ của tín hiệu này sau giải trải

phổ tại máy thu k và hình 3.11d cho thấy phổ của tín hiệu sau bộ lọc thông thấp với

băng thông băng Rb.

(3.2)

15


Hình 3.11 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín

hiệu.

Từ hình 3.11 ta thấy tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR: Signal to Interference

Ratio) là tỷ số giữa diện tích hình chữ nhật được tô đậm trên hình 3.11c và tổng

diện tích các hình chữ nhật trắng trên hình 3.11d: SIR=S1/S2. Tỷ số này tỷ lệ với tỷ

số Rc/Rb, vì thế tỷ số Rc/Rb được gọi là độ lợi xử lý (Processing Gain).

3.1.1.3 Các mã trải phổ trong W-CDMA

Khái niệm trải phổ được áp dụng cho các kênh vật lý, khái niệm này bao

gồm hai thao tác. Đầu tiên là thao tác định kênh, trong đó mỗi ký hiệu số liệu được

chuyển thành một số chip nhờ vậy tăng độ rộng phổ tín hiệu. Số chip trên một ký

hiệu (hay tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ ký hiệu) được gọi là hệ số trải phổ (SF:

Spectrum Factor), hay nói một cách khác SF=Rs/Rc trong đó Rs là tốc độ ký hiệu

còn Rc là tốc đô chip. Hệ số trải phổ là một giá trị khả biến, ngoại trừ đối với kênh

chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao (HS-PDSCH ) trong HSDPA có SF=16. Thao

16


tác thứ hai là thao tác ngẫu nhiên hóa để tăng tính trực giao trong đó một mã ngẫu

nhiên hóa được ‘trộn’ với tín hiệu trải phổ. Mã ngẫu nhiên hoá được xây dựng trên

cơ sở mã Gold.

Trong quá trình định kênh, các ký hiệu số liệu được nhân với một mã OVSF

(Orthogonal Variable Spread Factor: mã trực giao hệ số khả biến) đồng bộ về thời

gian với biên của ký hiệu. Trong 3GPP, OVSF (hình 3.12) được sử dụng cho các

tốc độ ký hiệu khác nhau và được ký hiệu là Cch,SF,k trong đó SF là hệ số trải phổ

của mã và k là số thứ tự mã (0≤k≤SF-1). Các mã định kênh có các tính chất trực

giao và được sử dụng để phân biệt các thông tin được phát đi cùng từ một nguồn:

(1) các kết nối khác nhau trên đường xuống trong cùng một ô trên đường xuống và

giảm nhiễu nội ô, (2) các kênh số liệu vật lý đường lên từ một UE. Trên đường

xuống các mã OVSF trong một ô bị hạn chế vì thế cần được quản lý bởi RNC, tuy

nhiên điều này không xảy ra đối với đường lên.

Cần lưu ý khi chọn mã định kênh để chúng không tương quan với nhau.

Chẳng hạn khi đã chọn mã Cch,8,4=+1-1+1-1+1-1+1-1, không được sử dụng mã

Cch,16,8=+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1+1-1; vì hai mã này hoàn toàn giống nhau

(tích của chúng bằng 1) và chúng sẽ gây nhiễu cho nhau.

Các mã OVSF chỉ hiệu quả khi các kênh được đồng bộ hoàn hảo tại mức ký

hiệu. Mất tương quan chéo do truyền sóng đa đường được bù trừ bởi thao tác ngẫu

nhiên hóa bổ sung. Với thao tác ngẫu nhiên hóa, phần thực (I) và phần ảo (Q) của

tín hiệu trải phổ được nhân bổ sung với mã ngẫu nhiên hóa phức. Mã ngẫu nhiên

hóa phức được sử dụng để phân biệt các nguồn phát: (1) các ô khác nhau đối với

đường xuống và (2) các UE khác nhau đối với đường lên. Các mã này có các tính

chất tương quan tốt (trung bình hóa nhiễu) và luôn được sử dụng để ‘trộn’ với các

mã trải phổ nhưng không làm ảnh hưởng độ rộng phổ tín hiệu và băng thông truyền

dẫn.

17


Hình 3.12 Cây mã định kênh

Đường truyền giữa nút B và UE trong WCDMA chứa nhiều kênh. Có thể

chia các kênh này thành hai loại: (1) kênh riêng để truyền lưu lượng và (2) kênh

chung mang các thông tin điều khiển và báo hiệu. Đường truyền từ UE đến nút B

được gọi là đường lên, còn đường ngược lại từ nút B đến UE được gọi là đường

xuống. Trước hết ta xét trải phổ cho các kênh đường lên.

3.3.2 Trải phổ và điều chế đường lên

3.3.2.1 Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên

Nguyên lý trải phổ cho DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: kênh số

liệu vật lý riêng, kênh để truyền lưu lượng của người sử dụng) và DPCCH

(Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng; kênh đi cùng

với DPDCH để mang thông tin điều khiển lớp vật lý) được minh họa trên hình 3.13.

Một DPCCH và cực đại sáu DPDCH song song giá trị thực có thể được trải phổ và

phát đồng thời. DPCCH luôn được trải phổ bằng mã Cc=Cch,256,0, trong đó k=0. Nếu

chỉ một kênh DPDCH được phát trên đường lên, thì DPDCH1 được trải phổ với mã

Cd,1=Cch,SF,k, trong đó k=SF/4 là số mã OVSF và k=SF/4. Nghĩa là nếu hệ số trải

phổ SF=128 thì k=32. Nếu nhiều DPDCH được phát, thì tất cả DPDCH đều có hệ

số trải phổ là 4 (tốc độ bit kênh là 960kbps) và DPDCHn được trải phổ bởi mã

Cd,n=Cch,4,k, trong đó k=1 nếu n∈{1,2}, k=3 nếu n∈{3,4} và k=2 nếu n∈{5,6}. Để

18


bù trừ sự khác nhau giữa các hệ số trải phổ của số liệu, tín hiệu trải phổ được đánh

trọng số bằng các hệ số khuyếch đại ký hiệu là βc cho DPCCH và βd cho DPDCH.

Các hệ số khuyếch đại này được tính toán bởi SRNC và được gửi đến UE trong giai

đoạn thiết lập đường truyền vô tuyến hay đặt lại cấu hình. Các hệ số khuyếch đại

nằm trong dải từ 0 đến 1 và ít nhất một trong số các giá trị của βc và βd luôn luôn

bằng 1. Luồng chip của các nhánh I và Q sau đó được cộng phức với nhau và được

ngẫu nhiên hóa bởi một mã ngẫu nhiên hóa phức được ký hiệu là Sdpch,n trên hình

3.13. Mã ngẫu nhiên hóa này được đồng bộ với khung vô tuyến, nghĩa là chip thứ

nhất tương ứng với đầu khung vô tuyến.

Hình 3.13 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên

Các nghiên cứu cho thấy mọi sự phát không liên tục trên đường lên có thể

gây nhiễu âm thanh cho thiết bị âm thanh đặt gần máy đầu cuối di động. Thí dụ điển

hình là trường hợp nhiễu tần số khung (217 Hz=1/4,615ms) gây ra do các đầu cuối

GSM. Để tránh hiệu ứng này, kênh DPCCH và các kênh DPDCH không được ghép

19


theo thời gian mà được ghép theo mã I/Q (điều chế QPSK hai kênh) với ngẫu nhiên

hoá phức. Minh họa trên hình 3.14 cho thấy sơ đồ điều chế này cho phép truyền dẫn

liên tục ngay cả trong các chu kỳ im lặng khi chỉ có thông tin điều khiển lớp 1 để

duy trì hoạt động đường truyền (DPCCH) là được phát.

Hình 3.14 Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số

liệu vật lý riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng

Như minh họa trên hình 3.15, các mã ngẫu nhiên hóa phức được tạo ra bằng

cách quay pha giữa các chip trong một chu kỳ ký hiệu trong giới hạn ±900. Bằng

cách này hiệu suất của bộ khuếch đại (liên quan đến tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình) trong UE hầu như không đổi không phụ thuộc vào tỷ số β giữa

DPDCH và DPCCH.

Hình 3.15 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức, β

biểu diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH

DPCCH và các DPDCH có thể được ngẫu nhiên hóa bằng các mã ngẫu nhiên

dài hoặc ngắn. Có 224 mã ngẫu nhiên hóa dài đường lên và 224 mã ngẫu nhiên ngắn

20


đường lên. Vì có thể sử dụng được hàng triệu mã nên không cần quy hoạch mã

đường lên. Số mã ngẫu nhiên cho DPCH (0,…., 16777215), cùng với SF thấp nhất

được phép của mã định kênh (4, 8, 16, 32, 128 và 256) cho phần số liệu được ấn

định bởi các lớp cao hơn, chẳng hạn khi thiết lập kết nối RRC hoặc khi điều khiển

chuyển giao.

3.3.2.2 Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH

Phần này sẽ trình bầy ấn định mã cho tiền tố và phần bản tin của PRACH là

một dạng kênh chung đường lên.

Trải phổ và ngẫu nhiên hóa phần bản tin PRACH được minh họa trên Hình

3.16.

Hình 3.16 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH

Phần điều khiển của bản tin PRACH được trải phổ bằng mã định kênh

Cc=Cch,256,m, trong đó m=16.s+15 và s (0 ≤s≤15) là chữ ký tiền tố và phần số liệu

được trải phổ bằng mã định kênh Cd=Cch,SF,m, trong đó SF (có giá trị từ 32 đến 256)

là hệ số trải phổ sử dụng cho phần số liệu và m=SF.s/16.

Phần bản tin PRACH luôn luôn được trải phổ bằng mã ngẫu nhiên hóa dài. Độ dài

của mã ngẫu nhiên hóa được sử dụng cho phần bản tin là 10ms. Có tất cả là 8192

mã ngẫu nhiên hóa.

21


3.3.3 Trải phổ và điều chế đường xuống

3.3.3.1 Sơ đồ trải phổ và điều chế đường xuống

Khái niệm trải phổ và ngẫu nhiên hóa đường xuống được minh họa trên hình

3.17. Ngoại trừ các SCH (kênh đồng bộ), mỗi cặp hai bit kênh trước hết được biến

đổi từ nối tiếp vào song song tương ứng một ký hiệu điều chế, sau đó được đặt lên

các nhánh I và Q. Sau đó các nhánh I và Q được trải phổ đến tốc độ 3,84Mcps bằng

cùng mỗi mã định kênh Cch,SF,m. Các chuỗi chip giá trị thực trên các nhánh I và Q

sau đó được ngẫu nhiên hóa bằng mã ngẫu nhiên hóa phức để nhận dạng nguồn phát

nút B, mã này đựợc ký hiệu là Sdl,n trên hình 3.17. Mã ngẫu nhiên hóa này được

đồng bộ với mã ngẫu nhiên hóa sử dụng cho P-CCPCH (kênh vật lý điều khiển

chung sơ cấp), trong đó chíp phức đầu tiên của khung P-CCPCH được nhân với

chip số 0 của mã ngẫu nhiên hóa này.

Sau trải phổ, mỗi kênh vật lý đường xuống (trừ các SCH) được đánh trọng số

bằng các hệ số trọng số riêng ký hiệu là Gi như trên hình 3.17. P-SCH và S-SCH giá

trị phức được đánh trọng số riêng bằng các hệ số trọng số Gp và Gs. Tất cả các kênh

đường xuống được kết hợp với nhau bằng cộng phức. Chuỗi nhận được sau trải phổ

và ngẫu nhiên hóa được điều chế QPSK.

Hình 3.17 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống

22


3.3.3.2 Các mã trải phổ đường xuống

Trên đường xuống, cùng các mã định kênh như trên đường lên (mã OVSF)

được sử dụng. Thông thường mỗi ô chỉ có một cây mã và mỗi cây mã được đặt dưới

một mã ngẫu nhiên hóa để dùng chung cho nhiều người sử dụng. Theo quy đinh,

các mã định kênh dùng cho P-CPICH và P-CCPCH là Cch,256,0 và Cch,256,1. Bộ quản

lý tài nguyên trong RNC ấn định các mã định kênh cho tất cả các kênh khác với giới

hạn SF=512 trong trường hợp sử dụng chuyển giao phân tập.

Mã OVSF có thể thay đổi theo từng khung trên kênh PDSCH. Quy tắc thay đổi như

sau, các mã OVSF được sử dụng cho kết nối phía dưới hệ số trải phổ nhỏ nhất là mã

từ nhánh cây, mã nhánh cây mã được chỉ ra bởi hệ số trải phổ thấp nhất này. Nếu

DSCH được sắp xếp lên nhiều PDSCH song song, thì quy tắc tương tự được áp

dụng, nhưng tất cả các nhánh mã được sử dụng bởi các mã này tương ứng với hệ số

trải phổ nhỏ nhất đều có thể sử dụng cho ấn định hệ số trải phổ cao hơn.

3.3.3.3 Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống

Trên đường xuống chỉ có các mã ngẫu nhiên hóa dài là được sử dụng. Có tất

cả 218-1=262143 mã ngẫu nhiên được đánh số từ 0 đến 262142. Các chuỗi mã ngẫu

nhiên được ký hiệu là Sdl,n được cấu trúc bằng các đoạn của chuỗi Gold. Để tăng tốc

quá trình tìm ô, chỉ 8192 mã trong số 262143 được sử dụng trong thực tế và được

cắt ngắn lấy đoạn đầu 38400 chip để phù hợp với chu kỳ khung 10 ms. Như minh

họa trên hình 3.21, chỉ có các mã với n=0,1,…, 8191 được sử dụng. Các mã này

được chia thành 512 tập. Mỗi tập gồm 16 mã (i=0…15) với một mã sơ cấp và 15

mã thứ cấp. 8 tập (i=0…7) với 8x16 mã hợp thành một nhóm tạo nên 64 nhóm

(j=0…63).

23


Hình 3.18 Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp

Vì thông thường mỗi ô được nhận dạng bằng một mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp,

nên quá trình tìm kiếm ô cũng là quá trình tìm kiếm mã này. Quá trình tìm kiếm ô

có thể được thực hiện theo ba bước sau:

- Tìm P-SCH (kênh đồng bộ sơ cấp) để thiết lập đồng bộ khe và đồng bộ ký

hiệu.

- Tìm S-SCH (kênh đồng bộ thứ cấp) để thiết lập đồng bộ khung và nhóm mã.

- Tìm mã ngẫu nhiên hóa để nhận dạng ô.

3.4 Kỹ thuật chuyển giao

Cũng như điều khiển công suất chuyển giao mềm và mềm hơn cần phải có ở

các hệ thống thông tin di động CDMA để tránh hiện tượng xa gần. Khi MS tiến sâu

vào vùng phủ sóng của ô lân cận mà không được BTS của ô này điều khiển công

suất, nó sẽ gây nhiễu lớn cho các MS trong ô này. Chuyển giao cứng có thể tránh

được điều này nhưng có thể xảy ra hiện tượng xa gần ở thời gian trễ. Vì thế cùng

với điều khiển công suất, các chuyển giao mềm và mềm hơn là công cụ quan trọng

để giảm nhiễu ở CDMA.

24


3.4.1 Chuyển giao mềm

Hình 3.19 Chuyển giao mềm

Chuyển giao mềm xảy ra giữa hai hay nhiều ô hay hai đoạn ô thuộc hai BTS

khác nhau (Hình 3.19 chỉ minh hoạ cho hai BTS). MS phát đến và thu từ hai BTS

này đồng thời. Trong khi chuyển giao mềm MS ở vùng chồng lấn vùng phủ của hai

đoạn ô thuộc hai trạm gốc khác nhau. MS thu đồng thời thông tin của người sử

dụng từ các BTS và kết hợp chúng để có được thông tin tốt nhất. Ở đường lên thông

tin phát đi từ MS được các BTS thu lại rồi chuyển đến RNC để được kết hợp chung.

Trong trường hợp chuyển giao mềm. Các BTS phát lệnh điều khiển công suất.

3.4.2 Chuyển giao mềm hơn

Hình 3.20 Chuyển giao mềm hơn

Hình 3.20 biểu diễn trường hợp chuyển giao mềm hơn. Chuyển giao mềm

hơn xảy ra giữa hai hay nhiều đoạn ô thuộc cùng một BTS. Trong khi chuyển giao

25


mềm hơn MS ở vùng chồng lấn giữa hai vùng phủ của hai đoạn ô của BTS. Thông

tin giữa MS và BTS xảy ra đồng thời trên hai kênh của giao diện vô tuyến vì vậy

cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để MS có thể phân biệt được hai tín

hiệu. Phụ thuộc ô và phủ sóng, có thể xảy ra chuyển giao mềm và mềm hơn đồng

thời.

3.4.3 Chuyển giao cứng

Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ

một ô này sang ô khác khi hai ô có tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một ô này

sang ô khác khi các ô này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao

diện Iur giữa hai RNC này. W-CDMA cũng hỗ trợ cả chuyển giao cứng đến GSM.

Điều này là cần thiết khi triển khai W-CDMA các thuê bao W-CDMA có thể phải

sử dụng GSM ở các vùng W-CDMA chưa kịp phủ sóng.

26

Documents

Một Số Kỹ Thuật Trong Wcdma