Luận văn Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA

àm ví dụ cho phối hợp tốc độ. Trích bỏ để phối hợp tốc độ áp dụng riêng rẽ cho y và y’. Trích bỏ không áp dụng cho x nên cần tách riêng các chuỗi bit x, y và y’. Chức năng phân tách bít sẽ trong suốt đối với các TrCH không đƣợc mã hóa, các kênh TrCH mã hóa xoắn và các kênh mã hóa Turbo đƣợc lặp. Quá trình phân tách bít và thu thập đƣợc minh họa ở hình 2.15. Hình 2.15 Trích bỏ các kênh TrCH được mã hóa Turbo c. Điều chỉnh công suất phát nhanh dựa trên phép đo SIR Tác dụng của điều chỉnh ( điều khiển) công suất phát Việc điều chỉnh công suất là rất cần thiết để một hệ thống W-CDMA hoạt động tốt vì tất cả các thuê bao W-CDMA đều chia sẻ cùng một băng tần vô tuyến nhờ việc sử dụng các mã tạp âm giả ngẫu nhiên và do đó mỗi thuê bao đƣợc xem nhƣ tạp âm ngẫu nhiên đối với các thuê bao khác. Quá trình điều chỉnh công suất đƣợc thực hiện để giải quyết bài toán "xa-gần" và để tăng tối đa dung lƣợng. Điều chỉnh công suất tức là công suất phát từ mỗi thuê bao đƣợc điều chỉnh để sao cho công suất thu của mọi thuê bao ở trạm Mã hóa kênh r = 1/3 Phân tách bit Thuật toán phối hợp tốc độ …111110101… …11x11010x… …11x11010x… 47 gốc là bằng nhau (nếu không kể đến các loại tạp âm khác mà chỉ xét đến suy hao truyền lan vô tuyến thì quá trình điều chỉnh công suất sẽ điều chỉnh để thuê bao ở xa trạm gốc sẽ phát công suất lớn hơn thuê bao ở gần trạm gốc). Điều chỉnh công suất trên đƣờng truyền về  Thăm dò truy nhập Một vấn đề cần phải giải quyết ngay trong việc điều chỉnh công suất đó là công suất phát ban đầu của máy di động. Trƣớc khi máy di động thiết lập liên hệ với trạm gốc, máy di động không thể đƣợc điều chỉnh công suất bởi trạm gốc. Nhƣ vậy, câu hỏi đặt ra là khi máy di động mới bắt đầu thử truy nhập vào trạm gốc thì mức công suất nào máy di động nên sử dụng để phát yêu cầu của nó ? ở thời điểm này, trạm gốc vẫn chƣa tạo ra sự liên lạc với thuê bao di động và trạm gốc không biết vị trí của thuê bao di động. Có hai lựa chọn: lựa chọn thứ nhất là máy di động có thể thử truy nhập tới trạm gốc với một công suất cao. Công suất cao nhƣ vậy sẽ làm tăng khả năng trạm gốc thu đƣợc yêu cầu truy nhập của máy di động. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của việc phát công suất khởi đầu cao đó là công suất này sẽ gây nhiễu tới các thuê bao khác hiện đang đƣợc quản lý trong ô. Lựa chọn thứ hai là máy di động có thể yêu cầu truy nhập trạm gốc với một công suất phát thấp. Công suất thấp nhƣ vậy sẽ làm giảm khả năng trạm gốc thu đƣợc yêu cầu truy nhập của máy di động. Nhƣng ƣu điểm là máy di động này sẽ không gây nhiễu nhiều tới các thuê bao khác. Giải pháp đƣợc chọn là khi máy di động mới bắt đầu thử truy nhập hệ thống nó phát một chuỗi các thăm dò truy nhập. Các thăm dò truy nhập là một chuỗi mức công suất phát tăng dần. Máy di động phát thăm dò truy nhập đầu tiên của nó ở một mức công suất tƣơng đối thấp, sau đó nó đợi một đáp ứng phản hồi từ trạm gốc. Nếu sau một khoảng thời gian tuỳ ý máy di động không thu đƣợc một bản tin xác nhận từ trạm gốc thì máy di động phát thăm dò truy nhập thứ hai với một công suất hơi cao hơn. Quá trình này sẽ lặp lại cho đến khi máy di động thu đƣợc bản tin xác nhận phản hồi từ trạm gốc. Ngoài ra, máy di động còn sử dụng mức công suất nó thu đƣợc từ trạm gốc để ƣớc tính công suất ban đầu của nó. Nói cách khác, nếu máy di động nhận đƣợc một tín hiệu mạnh từ trạm gốc thì nó cho rằng trạm gốc ở gần và nhƣ vậy nó sẽ phát khởi đầu với một mức công suất tƣơng đối thấp. Nếu máy di động nhận đƣợc một tín hiệu yếu từ trạm gốc thì nó cho rằng trạm gốc ở xa và nhƣ vậy nó sẽ phát khởi đầu với một mức công suất tƣơng đối cao.  Vòng điều khiển mở Quá trình đã mô tả ở trên đƣợc gọi là quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở, đó chỉ là một quá trình hoạt động điều khiển máy di động và không liên quan gì đến trạm gốc. Quá trình điều khiển theo vòng mở này diễn ra liên tục sau khi trạm gốc xác nhận yêu cầu truy nhập của máy di động và sau khi máy di động bắt đầu phát trên một 48 kênh lƣu lƣợng. Sau khi một cuộc gọi đƣợc thiết lập và khi máy di động di chuyển trong phạm vi ô, suy hao đƣờng truyền giữa máy di động và trạm gốc sẽ liên tục thay đổi. Kết quả là công suất thu tại máy di động sẽ thay đổi và hoạt động điều chỉnh công suất theo vòng mở sẽ liên tục giám sát công suất thu của máy di động pr và sẽ tiếp tục điều chỉnh công suất phát của máy di động. Một chú ý quan trọng là quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở nhƣ đã mô tả ở trên dựa trên sự ƣớc tính suy hao đƣờng truyền đi. Quá trình điều chỉnh công suất này đƣợc sử dụng để bù cho những thay đổi chậm và các ảnh hƣởng của hiệu ứng che chắn (log-normal), trong đó có một sự tƣơng quan giữa các suy hao trên đƣờng truyền đi và đƣờng truyền về. Tuy nhiên, do các đƣờng truyền đi và về thƣờng sử dụng các tần số khác nhau (FDD), quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở là không đủ và quá chậm để bù cho hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh. Lƣu ý rằng hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh là phụ thuộc vào tần số và xảy ra trên mỗi khoảng nửa bƣớc sóng. Nói cách khác, do hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh là phụ thuộc vào tần số, chúng ta không thể sử dụng quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở ( trong đó giả thiết suy hao trên đƣờng truyền hƣớng đi bằng với suy hao đƣờng truyền hƣớng về ) để bù cho hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh.  Vòng điều khiển khép kín Quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín đƣợc sử dụng để bù cho những dao động về công suất do hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh. Nó là một vòng điều khiển khép kín trong đó liên quan đến cả trạm gốc vỡ máy di dộng. Mỗi khi máy di động chiếm một kênh lƣu lƣợng và bắt đầu thông tin với trạm gốc, quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín sẽ hoạt động cùng với quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở. Trong quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép, trạm gốc liên tục giám sát đƣờng truyền về và đo chất lƣợng đƣờng truyền. Nếu chất lƣợng đƣờng truyền nhận đƣợc xấu thì trạm gốc sẽ ra lệnh cho máy di động, qua đƣờng truyền đi, để tăng công suất. Nếu chất lƣợng đƣờng truyền là quá tốt thì có nghĩa là công suất trên đƣờng truyền về vƣợt mức, trong trƣờng hợp này, trạm gốc sẽ ra lệnh cho máy di động giảm công suất. Về mặt nguyên lý, tỷ lệ lỗi khung (FER) có thể dùng để chỉ thị về chất lƣợng đƣờng truyền. Nhƣng vì cần một thời gian dài cho trạm gốc tích luỹ đủ các bít để tính toán FER nên Eb/N0 ( hoặc SIR) đƣợc sử dụng làm thông tin để chỉ thị chất lƣợng đƣờng truyền về. Quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín trên đƣờng truyền về nhƣ sau: - Trạm gốc liên tục giám sát Eb/N0 trên đƣờng truyền về - Nếu Eb/N0 là quá cao ( tức là nếu nó vƣợt quá một ngƣỡng nhất định) thì trạm gốc ra lệnh cho máy di động giảm công suất phát. 49 - Nếu Eb/N0 là quá thấp ( tức là nếu nó rớt xuống dƣới một ngƣỡng nhất định) thì trạm gốc sẽ ra lệnh cho máy di động tăng công suất phát. Trạm gốc gửi các lệnh điều chỉnh công suất tới máy di dộng qua đƣờng truyền đi. Các lệnh điều chỉnh công suất đƣợc đặt trong dạng các bít điều chỉnh công suất (PCBs). Lƣợng công suất của máy di động tăng và giảm trên mỗi PCB thƣờng là +1 dB và -1 dB. Vì quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín là để chống lại pha đinh Rayleigh nhanh nên đáp ứng của máy di động với các lệnh điều chỉnh công suất này cần phải rất nhanh. Vì lý do này, các PCB đƣợc gửi trực tiếp trên kênh lƣu lƣợng. Thực tế là các bít đƣợc Rút trộm (Robbed) ra khỏi kênh lƣu lƣợng để gửi các PCB này.  Có ba điểm bổ sung cho quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín. - Các bít điều chỉnh công suất không đƣợc bảo vệ chống lỗi. Do các PCB đƣợc ghép vào kênh lƣu lƣợng hƣớng đi sau bộ mã hoá xoắn. Vì thế, các PCB không đƣợc bảo vệ chống lỗi. Điều này đƣợc thực hiện để giảm trễ cố hữu khi giải mã và tách ra các bít bảo vệ chống lỗi. Cần nhớ là điều chỉnh công suất theo vòng khép kín đƣợc sử dụng để chống lại hiện tƣợng pha đinh Rayleigh nhanh; các PCB không đƣợc bảo vệ chống lỗi để máy di động có thể nhanh chóng thu lại PCB và điều chỉnh công suất phát của nó cho phù hợp. Hậu quả là xác suất lỗi bít đối với kênh phụ điều chỉnh công suất có thể cao hơn so với kênh lƣu lƣợng nếu không có sự dự phòng đặc biệt. - Điều chỉnh công suất theo vòng khép kín có một vòng trong và một vòng ngoài. Đến đây chúng ta mới chỉ mô tả vòng trong của quá trình điều chỉnh công suất theo vòng kín. Tiền đề của quá trình điều khiển vòng trong là có tồn tại một ngƣỡng SIR đƣợc xác định trƣớc bởi các quyết định tăng giảm công suất đƣợc tạo ra. Do chúng ta luôn cố duy trì một FER có thể chấp nhận đƣợc và do trong một môi trƣờng di động không có sự tƣơng quan một-một giữa FER và Eb/N0, nên giá trị ngƣỡng Eb/N0 cần phải đƣợc điều chỉnh động để duy trì một FER có thể chấp nhận đƣợc. Việc điều chỉnh ngƣỡng Eb/N0 này ( đã sử dụng bởi điều chỉnh công suất vòng trong) đƣợc xem nhƣ vòng ngoài của quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín (xem hình 2.16). Quá trình điều khiển vòng ngoài không đƣợc qui định theo tiêu chuẩn và mỗi nhà sản xuất cơ sở hạ tầng tự do thực hiện các thuật toán điều chỉnh công suất vòng ngoài của chính họ. Lƣu ý rằng các thuật toán này hầu nhƣ luôn là độc quyền của nhà sản suất . 50 Hình 2.16 Vòng điều khiển trong và vòng điều khiển ngoài - Điểm cuối cùng liên quan tới sự điều chỉnh công suất theo vòng khép kín trong quá trình chuyển giao mềm. Trong quá trình chuyển giao mềm một máy di động duy trì liên lạc với hai hoặc ba trạm gốc khi nó chuyển tiếp giữa chúng. Trong thời gian chuyển giao mềm, máy di động thu các lệnh điều chỉnh công suất từ hai hoặc ba trạm gốc và các lệnh này có thể có sự xung đột (tức là, một trạm gốc có thể yêu cầu máy di động tăng công suất trong khi các trạm gốc khác lại có thể yêu cầu máy di động giảm công suất). Trong tình huống này, máy di động tuân theo qui luật sau: nếu bất cứ một trạm gốc nào ra lệnh cho máy di động giảm công suất, thì máy di động sẽ giảm công suất. Máy di động sẽ chỉ tăng công suất nếu tất cả các trạm gốc liên quan đến quá trình chuyển giao mềm ra lệnh cho máy di động tăng công suất.  Quá trình thực hiện vòng điều khiển mở và vòng điều khiển khép kín Công suất phát của máy di động là một hàm của quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mở và vòng khép kín của hệ thống. Các hình 2.17(a) và 2.17(b) chỉ ra quá trình thực hiện của lƣợc đồ điều chỉnh công suất đƣờng truyền về. Đối với quá trình điều chỉnh công suất theo vòng khép kín, trạm gốc có toàn bộ vòng điều khiển ngoài và một phần của vòng điều khiển trong; máy di động có các phần khác của vòng điều khiển trong. Đối với quá trình điều chỉnh công suất theo vòng mà, toàn bộ phần điều khiển theo vòng mở nằm trong máy di động. Trong hình 2.17(a), trạm gốc thu tín hiệu đƣờng truyền về từ máy di động. Đầu tiên trạm gốc giải điều chế và ƣớc tính FER của đƣờng truyền về. 51 Hình 2.17 (a) Các chức năng điều chỉnh công suất đường truyền về được thực hiện bởi trạm gốc Hình 2.17 (b) Các chức năng điều chỉnh công suất đường truyền về được thực hiện bởi máy di động Thông tin này trên chất lƣợng khung đƣờng truyền về đƣợc dẫn tới một thiết bị tính ngƣỡng, để điều chỉnh ngƣỡng Eb/N0 dựa trên chất lƣợng khung thu đƣợc. Đồng thời, trạm gốc cũng tạo ra một giá trị Eb/N0 ƣớc tính của đƣờng truyền về. Sau đó giá trị Eb/N0 và giá trị Eb/N0 ƣớc tính đƣợc so sánh. Nếu giá trị ƣớc tính lớn hơn giá trị ngƣỡng thì Eb/N0 của đƣờng truyền là cao hơn giá trị cần thiết để duy trì một chất lƣợng khung tốt; theo đó một PCB có giá trị 1 đƣợc gửi đi để ra lệnh cho máy di động giảm công 52 suất. Nếu giá trị ƣớc tính là nhỏ hơn giá trị ngƣỡng thì Eb/No của đƣờng truyền là thấp hơn giá trị cần thiết để duy trì một chất lƣợng khung tốt; theo đó một PCB có giá trị 0 đƣợc gửi đi để ra lệnh cho máy di động tăng công suất. Các PCB đƣợc ghép vào kênh lƣu lƣợng hƣớng đi và đƣợc phát tới máy di động. Về phía máy di động (xem hình 2.17(b)), máy di động thu tín hiệu đƣờng truyền đi. Nó khôi phục PCB và dựa trên PCB để đƣa ra quyết định tăng công suất lên 1 dB hoặc giảm công suất đi 1 dB. Việc quyết định là sự hiệu chỉnh theo vòng khép kín. Sự hiệu chỉnh đƣợc kết hợp với các giá trị ở vòng mở và kết quả sau khi kết hợp đƣợc dẫn đến máy phát để nó có thể phát ở một mức công suất phù hợp. Điều chỉnh công suất trên đƣờng truyền đi Trong trƣờng hợp lý tƣởng, việc điều chỉnh công suất là không cần thiết trong đƣờng truyền đi. Lý do là trạm gốc đang phát tất cả các kênh nhất quán trong cùng một băng tần RF. Tuy nhiên, trong thực tế, một máy di động riêng có thể ở gần một nguồn nhiễu nghiêm trọng và phải chịu một nhiễu nền lớn, hoặc một máy di động có thể chịu một suy hao đƣờng truyền lớn trên tín hiệu tổng hợp thu đƣợc ngoài tạp âm nhiệt . Nhƣ vậy, việc điều chỉnh công suất hƣớng đi là vẫn cần thiết. Tuy nhiên, nói chung yêu cầu điều chỉnh công suất đối với đƣờng truyền đi là không nghiêm ngặt nhƣ yêu cầu đối với đƣờng truyền về. Tiêu chuẩn qui định máy di động phải báo cáo phản hồi tới trạm gốc chất lƣợng của đƣờng truyền đi. Máy di động liên tục giám sát FER của đƣờng truyền đi và nó báo cáo FER này về trạm gốc trong một bản tin đƣợc gọi là bản tin báo cáo phép đo công suất (PMRM). Nó có thể gửi bản tin này theo một trong hai cách sau: một cách là máy di động báo cáo thƣờng kỳ PMRM vàcách thứ hai là máy di động chỉ báo cáo PMRM khi FER vƣợt quá một ngƣỡng nhất định. Trạm gốc nhận biết chất lƣợng của đƣờng truyền đi, sau đó có thể điều chỉnh công suất phát của nó tới máy di động. Thuật toán chính xác của quá trình xác định công suất một lần nữa lại tuỳ thuộc vào các nhà sản xuất cấu trúc hạ tầng riêng biệt. Quá trình này hầu nhƣ luôn là độc quyền của mỗi nhà sản xuất. 2.2.5. Phân tập đa dạng Trong các hệ thống điều chế băng hẹp nhƣ hệ thống FM tƣơng tự đã sử dụng trong hệ thống di động thế hệ thứ nhất thì hiện tƣợng truyền lan đa đƣờng ( nhiều tia sóng truyền theo các đƣờng khác nhau, hiện tƣợng này còn đƣợc gọi là hiện tƣợng truyền lan nhiều tia) gây ra nhiều hiện tƣợng pha đinh nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của pha đinh nhiều tia đƣợc giảm đi trong điều chế băng rộng W-CDMA vì các tín hiệu truyền qua các đƣờng khác nhau đƣợc thu nhận một cách độc lập. Nhƣng hiện tƣợng 53 pha đinh vẫn thƣờng xảy ra trong hệ thống này do không thể loại bỏ hoàn toàn đƣợc hiện tƣợng pha đinh nhiều tia, vì khi hiện tƣợng pha đinh nhiều tia thƣờng xuyên xảy ra thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập. Phân tập là một biện pháp tốt để làm giảm pha đinh, có ba loại phân tập là phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian. Phân tập thời gian đƣợc thực hiện nhờ việc sử dụng phƣơng pháp đan xen và các mã sửa lỗi (đã đề cập ở phần trƣớc). Hệ thống W-CDMA thực hiện phân tập tần số bằng cách trải năng lƣợng tín hiệu ra một băng tần rộng trong khi pha đinh lựa chọn tần số thƣờng chỉ có ảnh hƣởng trong một độ rộng băng tần 200- 300kHz. Phân tập không gian hay phân tập theo đƣờng truyền có thể đƣợc thực hiện theo ba cách sau: - Thiết lập nhiều đƣờng tín hiệu (chuyển giao mềm) để kết nối máy di động với hai hoặc nhiều BS. - Sử dụng môi trƣờng truyền lan đa đƣờng nhờ chức năng trải phổ nhƣ máy thu quét (Rake receiver ) sẽ thu và tổ hợp các tín hiệu phát với các thời gian trễ phát khác nhau. - Đặt nhiều anten tại BS. Các loại phân tập để nâng cao chất lƣợng của hệ thống W- CDMA đƣợc trình bày trong hình 2.18 và đƣợc tóm tắt nhƣ sau: - Phân tập thời gian - Xen kẽ mã, mã phát hiện và sửa lỗi. - Phân tập tần số - Tín hiệu băng rộng 5MHz . - Phân tập không gian ( phân tập theo đƣờng truyền ) - Sử dụng hai anten thu tại BS, máy thu quét đa đƣờng (RAKE) vỡ kết nối với nhiều BS (chuyển giao mềm). Hình 2.18 Các loại phân tập trong W-CDMA 54 Phân tập anten (phân tập không gian ) có thể đƣợc áp dụng dễ dàng cho cả các hệ thống FDMA và TDMA. Phân tập theo thời gian có thể đƣợc áp dụng đối với tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao đáp ứng đƣợc yêu cầu cho thủ tục sửa lỗi. Nhƣng các phƣơng pháp khác chỉ có thể đƣợc áp dụng dễ dàng trong hệ thống W- CDMA. Phạm vi rộng của phân tập không gian (phân tập theo đƣờng truyền ) có thể đƣợc cung cấp bởi đặc tính duy nhất của chuỗi trực tiếp ở hệ thống W-CDMA và mức độ phân tập cao sẽ đem lại chất lƣợng tốt hơn trong môi trƣờng nhiễu di động (EMI) lớn. Bộ điều khiển đa đƣờng tách ra dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ tƣơng quan song song. Máy di động sử dụng ba bộ tƣơng quan, còn BS sử dụng bốn bộ tƣơng quan. Máy thu có bộ tƣơng quan song song gọi là máy thu quét (máy thu RAKE), nó tìm thu tín hiệu qua mỗi đƣờng, tổ hợp và giải điều chế tất cả các tín hiệu thu đƣợc. Hiện tƣợng pha đinh có thể xảy ra trong mỗi tín hiệu thu nhƣng không có sự tƣơng quan giữa các đƣờng thu. Vì vậy, tổ hợp của các tín hiệu thu đƣợc có độ tin cậy rất cao,vì khả năng xảy ra hiện tƣợng pha đinh đồng thời trong tất cả các tín hiệu thu lỡ cực kỳ thấp. Nhiều bộ tách tƣơng quan cho phép thông tin đồng thời với hai BS để quá trình chuyển giao mềm có sự hỗ trợ của máy di động có thể thực hiện đƣợc. Phần dƣới đây sẽ giới thiệu chi tiết hơn về hai kỹ thuật phân tập không gian đƣợc sử dụng trong W-CDMA là kỹ thuật thu RAKE và kỹ thuật chuyển giao mềm. a. Kỹ thuật thu RAKE Trong các hệ thống tế bào W- CDMA, đƣờng truyền từ trạm gốc trong ô tới máy di động ( hƣớng đi ) sử dụng một máy thu quét gồm các bộ tƣơng quan (Correlator) song song ( trong nhiều tài liệu còn gọi là finger) và đƣờng truyền từ máy di động đến trạm gốc cũng sử dụng một máy thu nhƣ vậy nhƣng có số bộ tƣơng quan song song nhiều hơn. Thuật ngữ quét "n bộ tƣơng quan " (n-finger ), cho biết số các đƣờng truyền có thể đƣợc tổng hợp làn. Các máy thu quét làm nhiệm vụ phát hiện và đo các thông số của các tín hiệu đa đƣờng để có thể đƣợc sử dụng cho thu phân tập hoặc cho các mục đích chuyển giao và kết hợp các đƣờng tín hiệu một cách nhất quán ( tức là đồng bộ tín hiệu) sau khi giải điều chế mỗi tín hiệu truyền theo một đƣờng riêng ( tổng hợp sau khi tách sóng ). Việc tách và đo các thông số của các tín hiệu đa đƣờng đƣợc thực hiện bởi một " bộ thu tìm kiếm " (searcher receiver) đã đƣợc lập trình để so sánh các tín hiệu thu với các phần của các mã PN kênh I và kênh Q. Các sóng nhiều tia tới máy thu gây ra hiện tƣợng tự khuếch đại tạo thành các đỉnh tƣơng quan xảy ra tại các thời điểm khác nhau. Một giá trị biên độ của đỉnh tỷ lệ với đƣờng bao của tín hiệu trên đƣờng truyền và thời gian của 55 mỗi đỉnh liên quan tới tín hiệu đến đầu tiên, những yếu tố này đem lại một phép đo về độ trễ của đƣờng truyền. Bởi vậy, trong thiết kế tiêu chuẩn bao giờ cũng đề cập tới việc xác định bất cứ đƣờng truyền nào đang tồn tại. Vì tất cả các trạm gốc sử dụng cùng các mã PN I và Q chỉ khác nhau về bù pha của mã nên không chỉ các tín hiệu đa đƣờng mà còn cả các trạm gốc khác sẽ đƣợc phát hiện bởi sự tƣơng quan ( trong một "cửa sổ tìm kiếm " khác nhau của các thời điểm đến) với các phần trong các mã tƣơng ứng với các trạm gốc đã đƣợc chọn. Nhƣ vậy, bộ thu tìm kiếm có thể lƣu giữ một bảng các tín hiệu đa đƣờng mạnh và/hoặc các tín hiệu trạm gốc để có thể kết hợp phân tập hoặc để cho các mục đích chuyển giao. Để hữu dụng, bảng này cần phải ghi thời gian đến, cƣờng độ tín hiệu và bù mã PN tƣơng ứng. Trên đƣờng truyền về, máy thu của trạm gốc đƣợc ấn định để bám theo một máy phát di động nhất định sử dụng các thời điểm đến và chuỗi bù 0 (zero-offset ) trên kênh mã I và Q để xác định việc tìm kiếm các tín hiệu di động từ các thuê bao liên lạc với trạm gốc đó. Bộ thu tìm kiếm tại trạm gốc có thể nhận biết tín hiệu của máy di động cần thu bằng chuỗi bù mã PN dài ngẫu nhiên hoá duy nhất của nó, trƣớc khi bắt đầu quá trình truyền dẫn số liệu hoặc thoại trên đƣờng truyền một đoạn bít mở đầu đặc biệt đƣợc sử dụng cho mục đích đó. Khi tiến hành cuộc gọi, bộ thu tìm kiếm có khả năng giám sát cƣờng độ của các tín hiệu đa đƣờng từ máy di động đến trạm gốc và sử dụng nhiều hơn một đƣờng nhờ việc kết hợp phân tập. Hình 2.19 Máy thu quét (Rake receiver) b. Kỹ thuật chuyển giao mềm Trong môi trƣờng thông tin di động, khi một thuê bao di chuyển từ vùng phủ sóng của một trạm gốc tới vùng phủ sóng của một trạm gốc khác, một quá trình chuyển giao xảy ra để chuyển tiếp đƣờng thông tin từ một trạm gốc đến trạm tiếp theo. Hệ thống W- CDMA hỗ trợ các quá trình chuyển giao khác nhau. ở phần này chúng ta sẽ Bộ thu tƣơng quan 3 Bộ thu tƣơng quan 1 Bộ thu tƣơng quan 2 Bộ thu tƣơng quan 4 Trễ Trễ Trễ Bộ tổng hợp 56 tìm hiểu về các quá trình chuyển giao này, đặc biệt là quá trình chuyển giao mềm (soft handoff) và chuyển giao rất mềm (softer handoff) cùng với tác dụng chống pha đinh của các quá trình chuyển giao này. Thứ nhất là quá trình chuyển giao mềm (soft handoff). Trong phần trƣớc, chúng ta đã đề cập ngắn gọn là W-CDMA sử dụng chuyển giao mềm trong đó trong thời gian chuyển giao một máy di động đồng thời duy trì liên lạc với hai hoặc ba trạm gốc. Khi máy di động di chuyển từ ô hiện tại ( ô nguồn ) tới ô tiếp theo (ô đích ), sự liên lạc trên kênh lƣu lƣợng đƣợc duy trì đồng thời với cả hai ô. Hình 2.20(a) và hình 2.20(b) minh hoạ các đƣờng truyền đồng thời trong thời gian chuyển giao mềm. Trên đƣờng truyền đi ( xem hình 2.20(a)), máy di động sử dụng máy thu quét để giải điều chế hai tín hiệu riêng biệt từ hai trạm gốc khác nhau. Hai tín hiệu đƣợc kết hợp để tạo ra một tín hiệu tổng hợp có chất lƣợng tốt hơn. Trên đƣờng truyền về ( xem hình 2.20(b)), tín hiệu phát từ máy di động đƣợc thu bởi cả hai trạm gốc. Hai ô thực hiện giải điều chế tín hiệu riêng biệt và gửi các khung đã giải điều chế phản hồi về trung tâm chuyển mạch di động (MSC). MSC chứa một bộ lựa chọn để lựa chọn khung tốt nhất trong số các khung đƣợc gửi phản hồi về. Thứ hai là quá trình chuyển giao rất mềm ( softer handoff ). Loại chuyển giao này diễn ra khi một máy di động di chuyển giữa hai bộ lựa chọn khác nhau trong cùng một ô. Trên kênh hƣớng đi, máy di động thực hiện cùng quá trình kết hợp nhƣ trong chuyển giao mềm. Trong trƣờng hợp này, máy di động sử dụng bộ thu quét của nó để kết hợp các tín hiệu thu đƣợc từ hai cung (sector) khác nhau. Tuy nhiên, trên đƣờng truyền về, hai cung trong cùng một ô thu đồng thời hai tín hiệu từ máy di động. Các tín hiệu đƣợc giải điều chế và kết hợp trong ô vỡ chỉ một khung đƣợc gửi trở lại MSC. Thứ ba là quá trình chuyển giao cứng (hard handoff ). Hệ thống W-CDMA sử dụng hai loại chuyển giao cứng. Chuyển giao W-CDMA tới W-CDMA diễn ra khi máy di động đang chuyển tiếp giữa hai sóng mang W-CDMA ( tức là hai kênh trải phổ đƣợc tập trung ở các tần số khác nhau). Quá trình chuyển giao cứng này cũng có thể diễn ra khi máy di động chuyển tiếp giữa hai hệ thống của hai nhà khai thác khác nhau. Đôi khi quá trình chuyển giao W-CDMA tới W-CDMA đƣợc gọi là chuyển giao D tới D. Mặt khác, quá trình chuyển giao từ hệ thống W-CDMA tới hệ thống tƣơng tự diễn ra khi một cuộc gọi W-CDMA đƣợc chuyển giao tới một mạng tƣơng tự. Quá trình này có thể xảy ra khi máy di động di chuyển vào một khu vực mà ở đó có dịch vụ tƣơng tự nhƣng không có WCDMA . Đôi khi quá trình chuyển giao từ hệ thống W-CDMA tới hệ thống tƣơng tự đƣợc gọi là chuyển giao D tới A. 57 (a) Chuyển giao mềm giữa 2 trạm gốc - đƣờng truyền đi (b) Chuyển giao mềm giữa 2 trạm gốc – đƣờng truyền về Hình 2.20 Chuyển giao mềm giữa hai trạm gốc Trƣớc khi chúng ta miêu tả chi tiết quá trình chuyển giao mềm, cần lƣu ý một điều rất quan trọng là mỗi cung (séc tơ) trong một hệ thống W-CDMA đƣợc phân biệt với một cung khác bởi kênh hoa tiêu của cung đó. Nhƣ trình bày trong hình 2.21, kênh hoa tiêu là một trong số bốn kênh lôgic trên đƣờng truyền đi: Hoa tiêu, tìm gọi, đồng bộ và lƣu lƣợng. Kênh hoa tiêu có nhiệm vụ nhƣ một " đèn hiệu " đối với mỗi cung và trợ giúp cho máy di động trong việc tìm nhận các kênh lôgic khác trong cùng một cung. Không có thông tin đƣợc chứa đựng trong kênh hoa tiêu ngoài mã PN ngắn với một chuỗi bù (chuỗi ôpset) đặc trƣng đƣợc ấn định cho riêng cung đó. Lƣu ý là khi một chuỗi PN cộng với một chuỗi bù nó sẽ trở thành một chuỗi PN khác và chuỗi PN bù này là trực giao với chuỗi PN gốc. Mã PN đƣợc phát trên kênh hoa tiêu sử dụng đặc tính này để phân biệt bản thân nó với các cung khác và các trạm gốc khác. Chuỗi bù của một chuỗi PN kết hợp với một cung riêng đƣợc chỉ định bằng thông số PILOT PN cho cung đó. 58 Hình 2.21 Tín hiệu trải phổ ở đường truyền đi trong W-CDMA Một thuật ngữ đặc biệt đƣợc sử dụng để mô tả SNR của kênh hoa tiêu: năng lƣợng chíp trên mật độ nhiễu hoặc Ec/I0. Năng lƣợng chíp (năng lƣợng trên một chíp) khác với năng lƣợng bít trong đó "các chíp" liên quan tới các chuỗi PN đƣợc trải phổ. Vì không có thông tin băng gốc chứa đựng trong kênh hoa tiêu, nên kênh hoa tiêu không có quá trình giải trải phổ và các bít không đƣợc khôi phục. Do đó, để mô tả cƣờng độ tín hiệu của kênh hoa tiêu, tỷ số S/N (SNR) hoặc Ec/I0 đƣợc sử dụng. Lƣu ý rằng do kênh hoa tiêu không đƣợc giải trải phổ nên Ec/I0 duy trì dƣới mức 1 trong phần lớn thời gian. Trong ví dụ sau đây, chúng ta sẽ xem xét quá trình chuyển giao từ ô nguồn tới ô đích. Trong việc quản lý quá trình chuyển giao, máy di động lƣu giữ trong bộ nhớ của nó bốn danh sách riêng của các séc tơ trong trạm gốc dƣới dạng các tập danh sách. Có bốn loại tập danh sách là tập hoạt động (active set), tập dự tuyển (candidate set ), tập lân cận ( neighbor set ) và tập dƣ (remaining set). Tập hoạt động (A) chứa các kênh hoa tiêu của các séc tơ đang thông tin với máy di động trên các kênh lƣu lƣợng. Tập dự tuyển chứa các kênh hoa tiêu có Ec/I0 đủ lớn để làm cho chúng trở thành các kênh dự tuyển ( có thể chọn ) cho chuyển giao.Tập lân cận (N) chứa các kênh hoa tiêu nằm trong danh sách kênh lân cận ( láng giềng ) của séctơ đang phục vụ thông tin cho máy di động. Tập dƣ (R) chứa tất cả các kênh hoa tiêu còn lại trong hệ thống đối với tần số sóng mang W-CDMA, trừ các kênh hoa tiêu đang nằm trong các tập hoạt động, dự tuyển và lân cận. Nhƣ trình bày trong hình 2.22, máy di động di chuyển từ vùng phủ sóng của ô nguồn A tới vùng phủ sóng của ô đích B. Sau đây là một chuỗi các bƣớc trong quá trình chuyển giao này: - Ở đây máy di động chỉ đang đƣợc phục vụ bởi ô A và tập hoạt động của nó chỉ chứa kênh hoa tiêu A. Máy di động đo tỷ số Ec/I0 của kênh hoa tiêu B và nhận thấy nó lớn hơn T_ADD. Máy di động gửi một bản tin đo cƣờng độ kênh hoa tiêu và chuyển kênh hoa tiêu B từ tập lân cận tới tập dự tuyển. 59 - Máy di động thu đƣợc một bản tin điều khiển chuyển giao từ ô A. Bản tin điều khiển để máy di động bắt đầu thông tin trên một kênh lƣu lƣợng mới với ô B. - Máy di động chuyển kênh hoa tiêu B từ tập dự tuyển tới tập hoạt động. Sau khi chiếm đƣợc kênh lƣu lƣợng hƣớng đi đã đƣợc chỉ định trong bản tin điều khiển chuyển giao, máy di sẽ động gửi một bản tin hoàn thành chuyển giao. Lúc này tập hoạt động chứa hai kênh hoa tiêu. - Máy di động phát hiện ra kênh hoa tiêu A hiện đã bị rớt xuống dƣới ngƣỡng T_DROP. Máy di động khởi động bộ đếm thời gian rớt mức. - Bộ đếm thời gian rớt mức đạt đến giá trị T_TDROP. Máy di động sẽ gửi đi một bản tin đo cƣờng độ kênh hoa tiêu. - Máy di động nhận đƣợc một bản tin điều khiển chuyển giao. Bản tin này chỉ chứa ôpset PN của ô B. Ôpset PN của ô A không có trong bản tin này. - Máy di động chuyển kênh hoa tiêu A từ tập hoạt động tới tập lân cận và nó gửi đi một bản tin hoàn thành chuyển giao. Có một phƣơng pháp khác có thể kích hoạt quá trình phát bản tin đo cƣờng độ kênh hoa tiêu bởi máy di động. Nếu cƣờng độ của một kênh hoa tiêu trong tập dự tuyển vƣợt quá cƣờng độ của một kênh hoa tiêu trong tập hoạt động bởi sự so sánh ngƣỡng T COMP x 0,5 dB giữa tập hoạt động với tập dự tuyển, thì máy di động sẽ gửi bản tin đo cƣờng độ kênh hoa tiêu. * Máy di động trong trạng thái chuyển giao Hình 2.22 Quá trình chuyển giao. Ô nguồn A Ô đích B 1 kênh hoa tiêu (B) trong tập hoạt động 1 kênh hoa tiêu (A) trong tập hoạt động Ec/I0 t 2 kênh hoa tiêu (A&B) trong tập hoạt động * MS 60 CHƢƠNG 3 CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 3.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA W-CDMA 3.1.1. Hiệu suất sử dụng tần số cao Về nguyên tắc, dung lƣợng tiềm năng của hệ thống đƣợc xem nhƣ giống nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập nhƣ TDMA và FDMA đƣợc ứng dụng. Trong khi CDMA thƣờng đƣợc coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao, điều này nên đƣợc hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số. Ví dụ, CDMA có thể đạt đƣợc một mức hiệu suất chắc chắn nhờ sử dụng kỹ thuật điều chỉnh công suất phát chính xác, ngƣợc lại TDMA sẽ phải sử dụng đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt đƣợc cùng mức hiệu suất nhƣ vậy. Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống. 3.1.2. Dễ quản lý tần số Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần có qui hoạch tần số. Ngƣợc lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA cần phải đặc biệt chý ý đến qui hoạch tần số, có nhiều khó khăn liên quan đến qui hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thƣờng dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất qui tắc và các đặc tính địa hình phức tạp. Cần phải chú ý rằng các qui hoạch tần số không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số. CDMA không cần có qui hoạch tần số nhƣ thế. 3.1.3. Công suất phát của máy di động thấp Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-CDMA có thể giảm đƣợc tỷ số Eb/N0 ( tƣơng đƣơng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức chấp nhận đƣợc, điều này không chỉ làm tăng dung lƣợng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc giảm này đồng nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp khi so với hệ thống TDMA hoặc hệ thống tƣơng tự có cùng công suất. Ngoài ra, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lƣợng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác. Một ƣu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát trong hệ thống W-CDMA là nó làm giảm công suất phát trung bình. Trong đa số trƣờng hợp thì môi trƣờng truyền dẫn là thuận lợi đối với W-CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất 61 phát cao luôn luôn đƣợc yêu cầu để khắc phục hiện tƣợng pha đinh theo thời gian. Trong hệ thống W-CDMA, công suất trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ đƣợc phát đi bởi việc điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi xảy ra pha đinh. 3.1.4. Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường xuống Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đƣờng lên và đƣờng xuống. Ví dụ, trong các hệ thống truy nhập khác nhƣ TDMA sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đƣờng lên và đƣờng xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối xứng cho đƣờng lên và đƣờng xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đƣờng lên và đƣờng xuống sẽ phải hay đổi. Ngƣợc lại, trong CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể đƣợc thiết lập độc lập giữa đƣờng lên và đƣờng xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đƣờng lên và đƣờng xuống. Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng nhƣ truy nhập Internet. Khi không phát số liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng; do đó, nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở trên đƣờng lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở trên đƣờng xuống thì các tài nguyên vô tuyến đƣợc sử dụng tƣơng đƣơng tài nguyên cho một cặp đƣờng truyền lên và xuống. Thông thƣờng, TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các trƣờng hợp nhƣ vậy. 3.1.5. Nhiều tốc độ số liệu Băng thông rộng cho phép truyền dẫn tốc độ cao. Nó cũng cho phép cung cấp có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kết hợp các dịch vụ tốc độ thấp vỡ các dịch vụ tốc độ cao. Ví dụ, trong TDMA, các tốc độ truyền dẫn khác nhau có thể đƣợc cung cấp bằng cách thay đổi số khe thời gian đƣợc phân chia, nhƣng ở tốc độ thấp nhƣ tốc độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại của máy di động vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh nhƣ mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại. 3.1.6. Cải thiện các giải pháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia Công nghệ thu phân tập RAKE ( thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu một tia để thu 62 và kết hợp lại. Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập đƣờng truyền làm số đƣờng truyền tăng lên. Điều này giúp giảm công suất phát và tăng dung lƣợng. 3.1.7. Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu Băng thông rộng làm gia tăng tốc độ bít trong kênh điều khiển và tạo ra khả năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu, nhờ đó, máy di động có thể thu các tín hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn. Điều này giúp kéo dỡi thời gian chờ của pin ở máy di động. 3.2. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA W-CDMA Bảng 3.1 trình bày các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA. Phƣơng thức truy nhập CDMA trải phổ chuỗi trực tiếp Phƣơng thức truyền 2 chiều FDD Độ rộng băng thông 5MHz Tốc độ chip 3,84 Mc/s Khoảng cách sóng mang 200 KHz Tốc độ số liệu ~ 2 Mbit/s Độ dài khung số liệu 10, 20, 40, 80 ms Mã hiệu chỉnh lỗi Mã Tubo, Mã xoắn Phƣơng thức điều chế số liệu Đƣờng xuống :QPSK, đƣờng lên BPSK Phƣơng thức điều chế trải phổ Đƣờng xuống :QPSK, đƣờng lên HPSK Hệ số trải phổ(SF) 4 ~ 512 Phƣơng thức đòng bộ giữa các trạm gốc Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ đồng bộ) Phƣơng pháp mã hóa thoại AMR (1,95 kbit/s – 12,2 kbit/s) Bảng 3.1 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: điều chế pha hai trạng thái; FDD: Song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai); QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái. Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) đã chủ trƣơng xây dựng các hệ thống vô tuyến tập trung trên sóng mang 5 MHz và cũng có thể bao gồm cả các sóng mang 10 MHz và 20 MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ ba ( 3GPP) tập trung hoàn thiện các đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5 MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹ thuật cho các băng tần khác. Điều này có thể lý giải là do thực tế thì sóng mang có băng tần 5 MHz là đủ để đạt đƣợc tốc độ truyền dẫn 2 Mbit/s mặc dù băng tần 20 MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền số liệu ở tốc độ này, chứ không phải do mục tiêu của 3GPP là hoàn thiện các 63 đặc tính kỹ thuật chi tiết càng nhanh càng tốt. Vì thế, phiên bản hiện tại về các đặc tính kỹ thuật đƣợc đƣa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và ETSI chỉ giới hạn ở độ rộng băng tần 5 MHz. Chế độ không đồng bộ (dị bộ) đƣợc áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS và nhƣ vậy sẽ cho phép triển khai linh hoạt các BS. Nhờ việc thiết kế, cũng có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa các BS. Độ dài khung cơ bản là 10 ms và cũng có thể có các độ dỡi khác nhƣ trong bảng 3.1 do sử dụng kỹ thuật xen kẽ. Phƣơng thức điều chế số liệu là điều chế pha bốn trạng thái (QPSK) cho đƣờng xuống và điều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đƣờng lên. Phƣơng thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) đƣợc áp dụng cho điều chế trải phổ ở đƣờng lên. Quá trình tách song dựa trên phƣơng pháp tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu. Đối với đƣờng xuống, các ký hiệu hoa tiêu đƣợc ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong máy di động. Đối với đƣờng lên, các ký hiệu hoa tiêu đƣợc trải phổ bởi các mã trải phổ khác với số liệu và đƣợc ghép vuông pha (I/Q) với số liệu. Điều này đảm bảo cho quá trình truyền dẫn là liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ có thể thay đổi và giảm thiểu các đỉnh trong dạng sóng truyền. Đó cũng là một cách hiệu quả để giảm ảnh hƣởng của các trƣờng điện từ và giảm các yêu cầu đối với mạch khuyếch đại trong máy di động. SF biến thiên đƣợc áp dụng để thu đƣợc các tốc độ truyền dẫn khác nhau. Đối với đƣờng xuống, hệ số trảI phổ biến thiên trực giao ( OVSF) đƣợc ứng dụng. Đa mã cũng có thể đƣợc sử dụng. Các mã xoắn đƣợc sử dụng để mã hóa kênh. Đối với số liệu tốc độ cao, các mã Turbo đƣợc sử dụng. Phƣơng thức ký hiệu hoa tiêu đƣợc áp dụng hiệu quả cho vòng điều chỉnh công suất nhanh khép kín trong đƣờng xuống. Ngoài ra, các ký hiệu hoa tiêu chung sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng có thể đƣợc sử dụng để giải điều chế các kênh riêng. 3.3. CẤU TRÚC CỦA MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Hình 3.1 minh họa cấu trúc hệ thống của W-CDMA. Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) bao gồm thiết bị điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và nút B, mạng này đƣợc nối với mạng lõi (CN) qua giao diện Iu. Theo 3GPP, RAN đƣợc xem nhƣ mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN). 64 Hình 3.1 Cấu trúc mạng RNC có chức năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B, ví dụ nhƣ nó thực hiện điều khiển chuyển giao. Nút B là nút lôgic có chức năng thu và phát vô tuyến, nó còn đƣợc gọi là trạm thu phát gốc (BTS). Giao diện giữa nút B và RNC đƣợc gọi là Iub. Giao diện giữa các RNC cũng đƣợc qui định với tên gọi là Iur. Đây là một giao diện lôgic để có thể thực hiện đấu nối vật lý giữa các RNC. Tuy nhiên, các phƣơng pháp truyền dẫn luân phiên có thể đƣợc ứng dụng nhƣ một kết nối vật lý qua mạng lõi (CN). Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô. Nếu BS đƣợc phân chia séc tơ bởi các anten định hƣớng thì mỗi séc tơ cũng đƣợc xem nhƣ một ô nhỏ. Nút B đƣợc kết nối với thiết bị thuê bao (UE) qua giao diện vô tuyến. RNC có chức năng quản lý các tài nguyên vô tuyến và điều khiển nút B, ví dụ nhƣ nó thực hiện điều khiển chuyển giao. Nút B là nút lôgic có chức năng thu và phát vô tuyến, nó còn đƣợc gọi là trạm thu phát gốc (BTS). Giao diện giữa nút B và RNC đƣợc gọi là Iub. Giao diện giữa các RNC cũng đƣợc qui định với tên gọi là Iur. Đây là một giao diện lôgic để có thể thực hiện đấu nối vật lý giữa các RNC. Tuy nhiên, các phƣơng pháp truyền dẫn luân phiên có thể đƣợc ứng dụng nhƣ một kết nối vật lý qua mạng lõi (CN). Nút B phủ sóng cho một hoặc nhiều ô. Nếu BS đƣợc phân chia séc tơ bởi các anten định hƣớng thì mỗi séc tơ cũng đƣợc xem nhƣ một ô nhỏ. Nút B đƣợc kết nối với thiết bị thuê bao (UE) qua giao diện vô tuyến. RNS RNC Nút B Nút B RNC Nút B Nút B UE RNS Mạng lõi (CN) Mạng truy cập vô tuyến (RAN) Ceel Iur Iub Iub Iub Iub 65 3.4. CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT TRONG W-CDMA W-CDMA sử dụng các công nghệ đặc biệt sau đây. 3.4.1. Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đường xuống Chế độ không đồng bộ (dị bộ) đƣợc áp dụng khi không cần duy trì một quá trình đồng bộ chính xác giữa tất cả các BS. Nó đƣợc sử dụng nhằm mục đích đảm bảo dễ dàng triển khai phủ kín sóng bởi các BS cho cả môi trƣờng truyền sóng trong nhà và ngoài trời. Hình 3.2 minh họa quá trình phân chia mã trải phổ đƣờng xuống cho các hệ thống dị bộ. Hai bộ mã trải phổ đƣợc sử dụng là : bộ mã ngẫu nhiên và bộ mã phân kênh. Mã ngẫu nhiên là một mã đƣợc gán cho một ô để nhận diện ô, mã này có độ dài khung số liệu là 10 ms (dài hơn mã phân kênh) và nó xử lý các tín hiệu nhiễu từ các ô khác nhƣ tạp âm. Mã phân kênh để nhận biết mỗi thuê bao và tập các mã trực giao đƣợc sử dụng trong mỗi ô. Hình 3.2 Phân chia mã đường xuống trong chế độ dị bộ giữa các BS Chế độ đồng bộ sẽ ấn định một mã tƣơng ứng với một mã ngẫu nhiên tới mỗi ô theo chế độ ghép định thời, tức là sử dụng việc dịch định thời (time-shifting) cho một mẫu mã đơn. Ngƣợc lại, chế độ dị bộ sẽ ấn định nhiễu mẫu theo số các mã ngẫu nhiên. Trong trƣờng hợp này, cần có một số quá trình để giúp UE nhận biết đƣợc nó thuộc về ô nào. Hệ thống tuân theo quá trình ba bƣớc, công nghệ tìm nhận ô tốc độ cao đã làm giảm cơ bản thời gian tìm kiếm ô của UE và tạo ra tính khả thi cho chế độ dị bộ giữa các BS. 66 3.4.2. Truyền dẫn OVSF Để cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện, cần phải có phƣơng thức hiệu quả ngay cả khi có sự kết hợp các dịch vụ ở các tốc độ khác nhau, từ các tốc độ cao đến các tốc độ thấp. Đối với đƣờng xuống, mã trải phổ OVSF đƣợc ứng dụng, các mã trong bộ mã này đƣợc tạo ra trực giao với nhau dù cho SF ( tức là độ dài mã) là khác nhau. Điều này cho phép cung cấp các dịch vụ có tốc độ bít khác nhau qua các kênh trực giao với nhau. 3.4.3. Cấu trúc hoa tiêu Quá trình tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu đƣợc áp dụng không chỉ với đƣờng xuống mà với cả đƣờng lên. Các ký hiệu hoa tiêu trong đƣờng xuống đƣợc ghép theo thời gian với các ký hiệu số liệu để giảm thiểu độ trễ cho TPC và đơn giản hóa quá trình thu trong UE. Ký hiệu hoa tiêu đã sử dụng cho các kênh riêng ghép theo thời gian trong đƣờng xuống cũng có hiệu quả trong quá trình điều chỉnh công suất phát (TPC ) nhanh ở đƣờng xuống. Mặt khác, đối với đƣờng lên các ký hiệu số liệu đƣợc ghép vuông pha (I/Q) với các ký hiệu hoa tiêu. Hay nói cách khác, chúng đƣợc điều chế BPSK và đƣợc kết hợp ở hai trạng thái pha 0 và π/2. Điều này làm cho các quá trình truyền dẫn tốc độ biến thiên ở đƣờng lên đƣợc liên tục và không thay đổi bất thƣờng. Nó cũng giảm thiểu hệ số đỉnh trong dạng sóng truyền dẫn và giảm bớt các yêu cầu cho bộ khuyếch đại phát trong UE Đối với đƣờng xuống, CPICH đã đƣợc sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng đƣợc sử dụng để giải điều chế các kênh riêng. Các ký hiệu hoa tiêu riêng đƣợc ghép trên các kênh riêng cũng là một giải pháp hữu hiệu để đảm bảo khả năng mở rộng, khả năng ứng dụng các anten thích nghi và các công nghệ khác để phát triển hơn nữa. 3.4.4. Phương pháp truy nhập gói Khi mà truyền gói trở thỡnh kỹ thuật then chốt đối với các dịch vụ 3G thì nhiều nghiên cứu khác nhau đã đƣợc tiến hỡnh trên các công nghệ truyền.W-CDMA chọn giải pháp sử dụng hệ thống có khả năng chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và các kênh riêng theo lƣu lƣợng số liệu. Hình 3.3 trình bày cơ chế truyền gói. Khi lƣợng số liệu cần truyền lớn thì việc ấn định kênh riêng DPCH là hiệu quả hơn và công suất sử dụng là thấp nhất nhờ quá trình 67 TPC. Ngƣợc lại, khi lƣợng số liệu cần truyền nhỏ và lƣu lƣợng thay đổi đột biến thì việc sử dụng một kênh chung sẽ hiệu quả hơn. Trong phƣơng pháp này, hệ thống sẽ chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và các kênh riêng theo lƣu lƣợng số liệu . Hình 3.3 Truyền gói tin thích ứng theo các kênh chung vỡ kênh riêng Các phƣơng pháp khác cũng đƣợc sử dụng, bao gồm phƣơng pháp dùng kênh chia sẻ (chung) đƣờng xuống, trong đó một kênh đƣờng xuống đƣợc chia sẻ bởi nhiều thuê bao. Các kênh riêng tốc độ thấp đƣợc gắn vào kênh chia sẻ đƣờng xuống. Các kênh điều khiển vật lý (CCH) trên các kênh riêng này thực hiện việc điều khiển và chỉ ra thông tin cần để giải mã kênh chia sẻ. Kênh chia sẻ đƣờng xuống đƣợc tin cậy để truyền số liệu tốc độ cao ở đƣờng xuống một cách hiệu quả. 3.4.5. Các mã Turbo Về các mã sửa lỗi, các nghiên cứu đã tập trung vào việc ứng dụng các mã turbo với thông tin di động, các mã này đƣợc xác nhận là có hiệu suất sửa lỗi cao đối với các quá trình truyền dẫn ở tốc độ tƣơng đối cao. 3.4.6. TPC Đối với đƣờng lên, TPC là một chức năng cần thiết để chống lại hiệu ứng xa-gần trong CDMA trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA), tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SIR) dựa trên TPC đƣợc áp dụng. Đối với đƣờng xuống, TPC áp dụng cùng chu trình nhƣ đối với đƣờng lên, quá trình TPC càng nhanh thì càng hiệu quả trong việc cải thiện hiệu suất đƣờng xuống. 68 3.4.7. Phân tập truyền dẫn Một số công nghệ phân tập truyền dẫn đã đƣợc nghiên cứu và sau đó đƣợc áp dụng để nâng cao hiệu suất gồm: phƣơng pháp phân tập anten phát chuyển mạch thời gian (TSTD) và phân tập anten phát dựa trên mã khối thời gian-không gian (STTD) dạng vòng mở trong đó không sử dụng vòng hối tiếp; và hai phƣơng pháp này ở dạng vòng kín trong đó có sử dụng vòng hồi tiếp. TSTD chuyển đổi anten phát trong mỗi khe, ngƣợc lại STTD cải thiện hiệu quả sửa lỗi nhờ việc ngẫu nhiên hóa các lỗi tại điểm thu bằng cách mã hóa số liệu giống nhau và gửi đồng thời chúng tới hai anten phát. Dạng vòng kín, đƣợc áp dụng với các kênh riêng sẽ làm giảm ảnh hƣởng của pha đinh bằng cách điều chỉnh pha sóng mang phát ra từ hai anten theo tín hiệu tham chiếu phản hồi từ UE tại điểm thu. 3.5. KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG (HAI CHIỀU ) PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN (TDD) VÀ KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ (FDD) Phƣơng thức song công trong W-CDMA là FDD. Tuy nhiên, 3GPP phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật của W-CDMA ( tức là UTRA FDD) không giới hạn với mốt FDD. Nó cũng phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật cho TDD, UTRA TDD. Mốt TDD đƣợc phát triển theo hƣớng có nhiều đặc tính chung với FDD. Trong thực tế, các giao thức lớp cao hơn là giống nhau trong FDD và TDD. Các thông số cơ bản ở lớp 1 của TDD cũng giống nhƣ trong FDD. Ví dụ nhƣ tốc độ chíp, độ dài khung, các phƣơng pháp điều chế và giải điều chế, và các thông số kỹ thuật then chốt khác cùng giống nhau trong cả hai mốt. Có hai tùy chọn liên quan đến tốc độ chíp là 3,84 Mc/s và 1,28 Mc/s ( tức là 1/3 của 3,84 Mc/s). 69 KẾT LUẬN Trƣớc sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông không dây cả về số lƣợng, chất lƣợng và các loại hình dịch vụ, công nghệ GSM đang đƣợc phát triển để có thể hỗ trợ và đáp ứng. Tuy nhiên, tốc độ của mạng GSM hiện thời vẫn còn quá chậm và không đáp ứng đƣợc, điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có đƣợc công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn. Việc sử dụng hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) sẽ nâng đƣợc tốc độ dữ liệu trên mạng GSM lên đến 57.6KBps, tuy nhiên công nghệ này vẫn chƣa đáp ứng thích đáng yêu cầu về mặt kỹ thuật. Giải pháp GPRS, EDGE trên mạng GSM và sau đó nâng cấp lên W-CDMA là một giải pháp khả thi và thích hợp với các nƣớc đang phát triển nhƣ nƣớc ta vì có thể tận dụng đƣợc cơ sở hạ tầng mạng GSM đồng thời có quỹ đầu tƣ để tiến lên 3G. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS tạo ra tốc độ cao chủ yếu nhờ vào sự kết hợp các khe thời gian, tuy nhiên kỹ thuật này vẫn dựa trên phƣơng thức điều chế GMSK nên hạn chế tốc độ truyền. Giải pháp dịch vụ vô tuyến gói chung nâng cao EDGE đã khắc phục đƣợc hạn chế này bằng cách thay thế phƣơng thức điều chế GMSK bằng 8PSK, điều này giúp nâng cao tốc độ của mạng GPRS lên 2 đến 3 lần. Khó khăn chủ yếu liên quan đến các kỹ thuật vô tuyến trên máy đầu cuối do việc thay đổi kỹ thuật điều chế. Tuy nhiên EDGE là vẫn hoạt động dựa trên trên cơ sở chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói hạn chế ở tốc độ 384KBps nên sẽ khó khan trong việc ứng dụng các dịch vụ đòi hỏi việc chuyển mạch linh động hơn và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Lúc này giải pháp đƣa ra là nâng cấp lên hệ thống WCDMA. Việc nâng cấp các hệ thống thông tin di động lên thế hệ ba có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu hiện tại. Trong tƣơng lai, khi mà công nghệ 3G không đáp ứng đƣợc yêu cầu thì công nghệ thông tin di động thế hệ tƣ là giải pháp tiếp theo với tốc độ lên tới 34Mbps. Điểm mấu chốt trong thông tin di động thế hệ tƣ là thay đổi phƣơng pháp đa truy cập kinh điển bằng các phƣơng pháp đa truy cập cho hiệu Trong khuôn khổ đề tài em tìm hiểu đƣợc đặc điểm cơ bản của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống W-CDMA , ứng dụng các ƣu điểm của công nghệ này trong thông tin di động . 70 Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong đồ án chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót , em rất mong sự góp ý của các thầy cô cũng nhƣ các bạn . Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quốc Vƣợng cùng các thầy cô trong ngành Điện tử viễn thông Trƣờng Đại học Hàng Hải đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này ! 71 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT BS (Base Station): Trạm gốc BPSK (Binary Phase-Shift Keying ) : Khóa dịch pha nhị phân CDMA ( Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã DS (Direct Sequence): Chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) DSSS (Direct Sequence Spreading Spectrum) : Trải phổ theo chuỗi trực tiếp. EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution):Tăng tốc độ truyền dẫn FEC (Forward Error Correction) : Hiệu chỉnh lỗi thuận FHSS (Frequency Hopping Spreading Spectrum): Trải phổ theo nhẩy tần. FM (Frequency Modulation) : Điều tần FDMA (Frequency Division Multiple Access) : Đa truy nhập phân chia theo mã GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) : Điều chế khóa dịch pha cực tiểu . GPRS (General Packet Radio Services) : Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM (Global System for Mobile) : Hệ thông thông tin di động toàn cầu HSCSD (Hight Speed Circuit Switched Data) : Hệ thống chuyển mạch kênh tốc độ cao. PN (Pseudo Noise) : Mã trải phổ giả ngẫu nhiên QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) : Điều chế pha vuông góc RF(Radio Frequency) :Tần số vô tuyến (cao tần) SCH (sync channel): Kênh đồng bộ SNR (S/N) (Signal-To-Noise Ratio) : Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SS (Spread Spectrum) : Trải phổ 72 TDMA (Time Division Multiple Access) : Đa truy nhập phân chia theo thời gian THSS (Time Hopping Spreading Spectrum) : Trải phổ theo nhẩy thời gian. W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng