Chương 4: Phối hợp kỹ thuật tạo búp và phân tập cho hệ thống W-CDMA.

-97-



4.1.1. Các đặc tính chủ yếu của W-CDMA



Các đặc tính kỹ thuật chính của giao diện vô tuyến W-CDMA là:

-



Hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao: 384 kbps cho vùng phủ rộng, 2 Mbps

cho vùng phủ trong nhà.



-



Linh động về dịch vụ: hỗ trợ đồng thời nhiều dịch vụ tốc độ khác

nhau trên mỗi kết nối.



-



Hỗ trợ cả FDD và TDD



-



Hỗ trợ các kỹ thuật nâng cao dung lượng và vùng phủ trong tương lai

như anten thích nghi, cấu trúc máy thu tiên tiến và phân tập phát



-



Hỗ trợ chuyển giao liên tần và chuyển giao sang hệ thống khác, kể cả

chuyển giao sang GSM



-



Truy nhập dữ liệu chuyển mạch gói hiệu quả.

Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của giao diện vô tuyến W-CDMA được giới



thiệu trong Bảng 4.1.



Bảng 4.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của W-CDMA

Cơ cấu đa truy nhập

Cơ cấu song công

Dịch vụ gói

Cơ cấu tốc độ thay đổi/ đa tốc độ

Tốc độ chíp

Khoảng cách sóng mang

Độ dài khung

Đồng bộ liên trạm gốc

Cơ cấu mã hoá kênh



DS-CDMA

FDD/TDD

Hai chế độ (kênh phối hợp và dùng

riêng)

hệ số trải thay đổi và đa mã

3,84 Mcps

4,4-5,2 MHz (khoảng bảo vệ 200

kHz)

10 ms

FDD: không cần đồng bộ chính xác

Mã chập (tốc độ 1/2 và 1/3)



Tốc độ chíp có thể mở rộng lên gấp 2 hoặc 3 lần tốc độ tiêu chuẩn 3,84

Mcps để đáp ứng các tốc độ dữ liệu cao hơn 2 Mbps. Khoảng bảo vệ sóng

mang được chọn là 200 kHz để đáp ứng yêu cầu hoạt động chung với các hệ

thống GSM.



-98-



4.1.2. Kênh vật lý đường lên



Kênh tần số được xác định theo 2 chiều mã/tần số. Ở đường lên, các

luồng thông tin khác nhau có thể được phát trên nhánh I và Q. Do đó, một

kênh vật lý sẽ phụ thuộc vào tần số sóng mang, mã cụ thể và pha tương ứng

(0 hoặc 90o).

Kênh vật lý đường lên dành riêng có 2 loại là kênh dữ liệu vật lý dành

riêng đường lên (DPDCH) và kênh điều khiển vật lý dành riêng (DPCCH).

Trên mỗi đấu nối lớp 1, số lượng kênh DPDCH có thể là 0, 1, hoặc vài kênh.

Thông tin điều khiển lớp 1 bao gồm các bít hoa tiêu biết trước để hỗ trợ đánh

giá kênh cho tách nhất quán, các câu lệnh điều khiển công suất phát (TPC),

chỉ thị khuôn dạng truyền dẫn được chọn (TFCI) và thông tin hồi tiếp (FBI)

(mức nhiễu). Chỉ thị khuôn dạng truyền dẫn được chọn thông báo cho máy

thu biết các tham số hiện thời của các kênh truyền dẫn khác nhau được ghép

trên kênh DPDCH đường lên. Chỉ có duy nhất một kênh DPCCH đường lên ở

mỗi kết nối lớp 1.



4.1.2.1. Trải phổ và điều chế đường lên

Ở đường lên dữ liệu điều chế của cả kênh DPDCH và kênh DPCCH là

khoá chuyển pha nhị phân (BPSK). Kênh DPCCH đã điều chế được nối tới

kênh Q, còn kênh DPDCH đầu tiên được nối tới kênh I. Các kênh DPDCH

tiếp theo được nối tuần tự tới kênh I hoặc kênh Q. Điều chế trải phổ dùng

trong đường lên là QPSK lưỡng kênh; Băng thông của tín hiệu trải là 3,84

Mcps; Mỗi người sử dụng ở đường lên chỉ có một kênh DPDCH duy nhất.

Các ký hiệu dữ liệu lưỡng cực trên nhánh I và Q được ghép một cách độc

lập bởi các mã hoá kênh khác nhau. Mã hoá kênh ở đây là mã hệ số trải phổ

biến thiên trực giao. Tín hiệu thu được được nhân với một mã trải phổ phức.

Mã trải phổ phức này là một chữ ký duy nhất cho mỗi máy di động. Tín hiệu



-99-



trộn có dạng hình xung. Bộ lọc Cosine nâng căn-quân phương với hệ số uốn

0,22 được sử dụng để tạo lập dạng xung. Tín hiệu hình xung này tiếp tục được

biến đổi lên. Hệ số trải cho kênh điều khiển luôn được đặt ở giá trị cao nhất là

256.



4.1.2.2. Cấu trúc khung

Hình 4.1 trình bày cấu trúc khung của đường lên DPCH. Mỗi khung có

độ dài 10 ms được chia thành 15 khe (mỗi khe có độ dài Tslot = 0,666 ms)

tương ứng với một lần khoảng thời gian điều khiển công suất. Siêu khung

tương ứng với 72 khung liên tiếp, có nghĩa là siêu khung có độ dài 720 ms.

Hệ số trải (SF) có thể nằm trong dải từ 256 xuống đến 4 (SF=256/2k).

Kênh DPDCH và DPCCH đường lên trên cùng lớp 1 thường có tốc độ khác

nhau, nghĩa là có hệ số trải khác nhau. Có thể thực hiện được tính năng đa mã

cho kênh DPCH đường lên. Khi truyền dẫn đa mã được sử dụng, nhiều kênh

DPDCH song song được phát với các mã kênh khác nhau. Với kênh DPCCH

thỉ chỉ có 1 kênh duy nhất cho một kết nối.



Hình 4.1. Cấu trúc khung của kênh DPDCH/DPCCH đường lên



-100-



4.1.2.3. Kênh vật lý đường lên chung

Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên được sử dụng để truyền tải kênh truy

nhập ngẫu nhiên. Kênh này được phân bổ dựa trên cách chia khe ALOHA

(cho phép phát khi có dữ liệu cần phát). Khoảng bù thời gian khác nhau được

gọi là các khe truy nhập và được sử dụng để truyền tải các “burst” truy nhập.

Thông tin về các khe truy nhập này được cung cấp trong ô hiện thời bằng

cách phát quảng bá trên kênh quản bá BCCH. Cấu trúc của “burst” truy nhập

gồm 2 phần: phần mào đầu (2 khe), và phần bản tin.

-



Phần mào đầu: gồm một “chữ ký” dài 16 ký hiệu phức (±1 ±j). Mỗi

ký hiệu mào đầu được trải với một mã Gold trực giao 256-chíp. Có

tổng số 16 “chữ ký” khác nhau, dựa trên tập mã Gold trực giao là 16.



-



Phần bản tin: Có cấu trúc giống kênh vật lý dành riêng (DPCH)

đường lên. Nó bao gồm một phần dữ liệu tương ứng với DPDCH

đường lên, và một phần điều khiển lớp 1, tương ứng với DPCCH

đường lên. Các phần dữ liệu và điều khiển được phát đồng thời. Hệ số

trải của phần dữ liệu bị giới hạn là một trong các giá trị sau SF Є

{256,128,64,32} tương ứng với các tốc độ bít của kênh. Thông tin về

tốc độ truyền cho biết mã hoá kênh (hay hệ số trải mã của kênh) được

sử dụng trên phần dữ liệu.



4.1.3. Kênh vật lý đường xuống



4.1.3.1. Trải phổ và điều chế đường xuống

Khoá chuyển pha tứ phân (QPSK) được áp dụng cho điều chế dữ liệu

đường xuống. Từng cặp hai bít được biến đổi nối tiếp-sang-song song tương

ứng tới các nhánh I và Q. Dữ liệu trong các nhánh I và Q được trải tới tốc độ

chíp bằng cùng một mã hoá kênh. Mã hoá kênh này cũng sử dụng hệ số trải

phổ biến thiên trực giao như ở phần đường lên. Tín hiệu trải phổ này sau đó



-101-



được trộn bởi một mã trộn cụ thể của ô. Người dùng ở đường xuống có một

kênh DPDCH và một kênh DPCCH. Các kênh DPDCH bổ sung được điều

chế QPSK và được trải phổ với những mã hoá kênh khác.

Chúng ta có thể thấy được sự khác biệt giữa việc trải phổ và điều chế ở

đường xuống so với đường lên. Điều chế dữ liệu là QPSK ở đường xuống

trong khi đó ở đường lên là BPSK. Tốc độ dữ liệu trên các kênh I và Q ở

đường xuống là bằng nhau, còn ở đường lên là khác nhau. Mã trải chỉ trong

một ô cụ thể ở đường xuống, trong khi mã trải chỉ cụ thể một máy di động ở

đường lên.

Giống như đường lên, các bộ lọc Cosine nâng căn quân phương với hệ số

uốn 0,22 được sử dụng để tạo dạng xung. Tín hiệu dạng xung này sau đó

được chuyển đổi lên.



4.1.3.2. Cấu trúc khung đường xuống

Cấu trúc khung của kênh vật lý dành riêng (DPCH) đường xuống được

trình bày trong Hình 4.2. Giống như đường lên, mỗi khung 10ms được chia

thành 15 khe. Mỗi khe có độ dài 2560 chíp, tương ứng với một khoảng thời

gian điều khiển công suất. Một siêu khung ứng với 720 ms, tức là một siêu

khung gồm 72 khung.

Tham số k ứng với hệ số trải phổ của kênh vật lý là SF = 512/2k. Như

vậy có thể sử dụng thêm hệ số trải 512 ở đường xuống. Các bít điều khiển

khác nhau có ý nghĩa giống như ở đường lên.



-102-



Hình 4.2. Cấu trúc khung của kênh DPCH đường xuống

4.1.4. Môi trường mô phỏng W-CDMA



4.1.4.1. Hệ thống mô phỏng

Phần mềm mô phỏng bằng Matlab có khả năng mô phỏng cả đường lên

và đường xuống của một hệ thống W-CDMA tương tự như UMTS. Các khối

chính dựa trên xử lý khung và khe (một khung phát có nhiều khe) cho cả chức

năng thu và phát. Ở máy phát, việc xử lý dựa trên khung bao gồm cả kỹ thuật

chèn và giải mã.

Ở đường lên, chỉ một anten phát được sử dụng, còn ở đường xuống có

thể có Mt anten phát, sử dụng CDTD hoặc TDTD. Các thành phần cùng pha

(in-phase) và toàn phương của tín hiệu phát được ghép bởi cơ cấu ngẫu nhiên

của một đường bao phức của kênh pha-đinh đã được tạo ra từ trước. Mô hình

kênh được mô phỏng là các mô hình trong nhà, ngoài trời-vào-trong nhà/đi bộ

và trên xe của UMTS. Các tín hiệu thu được được cộng lại và sau đó bổ sung

thêm AWGN.



-103-



Với mỗi người dùng, dữ liệu kênh vật lý bao gồm một chuỗi thông tin có

điều khiển. Toàn bộ độ dài của chuỗi thông tin và tỉ lệ mã hoá tạo ra ký hiệu

nhị phân sẽ phát trên nhánh I và Q của bộ điều chế; nhờ đó tạo ra tăng ích xử

lý cho mỗi người dùng. Người dùng với tốc độ thông tin cao hơn sẽ có tăng

ích trải phổ thấp hơn. Ngoài việc xác định tăng ích xử lý, kích thước chèn

khung mã hoá, giải mã chập, turbo cũng được xác định bởi tốc độ dữ liệu

thông tin.



Máy phát

Nguồn dữ

liệu



Bộ mã hoá

kênh



Bộ chèn

kênh



Tạo

khung



Bộ điều

chế QPSK



Bộ trải

phổ phức



KĐ công

suất



Ký hiệu hoa

tiêu, TCP



SIR

Bộ phát lệnh

đ/k công suất



Bộ phối hợp

RAKE PSA

1



Dữ liệu

ra



Bộ giải mã

kênh



Bộ giảichèn kênh



Kết hợp

không

gian và

MUD



Bộ phối hợp

RAKE PSA



Bộ phối hợp

RAKE PSA



Máy thu



Hình 4.3. Sơ đồ khối tổng thể đường lên



Bộ lọc

trùng khít



Bộ lọc

trùng khít



MR



-104-



Máy phát

1



Nguồn dữ

liệu



Bộ mã

hoá S-T



Bộ chèn

kênh



Bộ điều

chế QPSK



Tạo

khung



Bộ trải

phổ phức



Bộ điều chế

QPSK



KĐ công

suất



Bộ trải

phổ phức



KĐ công

suất



MT



Ký hiệu hoa

tiêu, TCP



SIR đích

Bộ phát lệnh

đ/k công suất

Dữ liệu

ra



Bộ giải mã

S-T



Bộ giảichèn kênh



Bộ phối hợp

RAKE PSA

Bộ phối hợp

RAKE PSA



Bộ lọc

trùng khít



Máy thu



Hình 4.4. Sơ đồ khối tổng thể đường xuống

Ở máy thu, trước tiên tín hiệu được xử lý bởi bộ lọc trùng khít chíp. Sau

đó, máy thu RAKE gồm nhiều bộ tương quan (nhánh) hoạt động song song

được sử dụng để xử lý tín hiệu này. Mỗi nhánh đối chiếu sự tương quan của

một phiên bản của tín hiệu thu với chuỗi trải phổ cho người dùng mong muốn.

Những thay đổi khác nhau tương ứng với trễ khác nhau cho mỗi thành phần

đa đường thu được ở máy đầu cuối di động. Đầu ra của các nhánh của máy

thu RAKE phải được kết hợp lại (mỗi khoảng thời gian ký hiệu một lần) để có

thể đánh giá ký hiệu thu được. Ở chế độ phân tập phát, ngoài hoạt động chuẩn

của máy thu RAKE, việc đánh giá kênh còn được thực hiện trên mỗi đường

truyền riêng biệt, và được dùng trong một bộ kết hợp RAKE hỗ trợ ký hiệu

hoa tiêu (PSA) để phân giải từng luồng phát từ nhiều anten phát.



-105-



Điều khiển công suất vòng kín được sử dụng trên kênh dùng riêng để

giảm sự không cân bằng về công suất thu (hiệu ứng gần xa). Trường hợp lý

tưởng là trạm gốc điều chỉnh công suất phát của máy di động sao cho trạm

gốc biết trước được SNR sẽ xảy ra. Cả ký hiệu hoa tiêu và dữ liệu đều được

sử dụng trong việc đo công suất tín hiệu thu tức thời, ký hiệu hoa tiêu được

dùng trong phép đo nhiễu tức thời cộng công suất tạp nền. Sau đó, SIR đo

được lại được so sánh với giá trị đích để quyết định lệnh điều khiển công suất.

Câu lệnh này được gửi tới máy phát ở máy di động để tăng hoặc giảm đi 1

hoặc 2dB công suất phát cuối mỗi khe.

Giao diện chính của chương trình phần mềm mô phỏng được cho trong



Hình 4.5. Các tham số mô phỏng có thể được thay đổi bằng cách bấm vào nút

“Dat transceive/Channel” trên giao diện chính, khi đó ta có thể đặt các tham

số mô phỏng như trong Hình 4.6.



Hình 4.5. Giao diện chính của phần mềm mô phỏng



-106-



Hình 4.6. Giao diện để thiết lập các tham số mô phỏng

4.1.4.2. Giả thiết mô phỏng chung

- Nhiễu Inter-cell không được mô phỏng

- Nhiễu băng hẹp không được mô hình hoá như một thành phần của mô

hình kênh

- Bộ khuyếch đại công suất là tuyến tính ở cả máy phát và thu.

- Mô phỏng đường lên và đường xuống hoạt động ở chế độ FDD.

- Với tất cả các kiểu máy thu, giả thiết rằng máy thu có thể đồng bộ với

tín hiệu thu. Trong mô phỏng không tính đến lỗi về đồng bộ.

- Máy thu RAKE có độ trễ đủ lớn để xử lý từng thành phần đa đường.

- Máy thu dựa trên kỹ thuật triệt nhiễu có đánh giá kênh lý tưởng. Thực

tế là chỉ tiêu bộ đánh giá kênh trong môi trường triệt nhiễu sẽ tốt hơn các



-107-



trường hợp khác do nhiễu đa người dùng được giảm di nhiều trong tín hiệu

cấp cho bộ đánh giá kênh.

- Máy phát lựa chọn anten – phân tập phát theo thời gian (AS-TDTD) và

bộ giải mã Cực đại sau (MAP) turbo được cung cấp các điều kiện kênh đã

đánh giá



4.2. Phối hợp kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập cho hệ thống

W-CDMA

4.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật tạo búp sóng



Trong phần này, ta giả sử một ô có trạm gốc ở giữa, người sử dụng di

động được phân bố khắp trong ô theo góc tính từ trạm gốc. Mỗi người dùng di

động có các vật tán xạ cục bộ xung quanh với mật độ Gauss, làm cho tín hiệu

đa đường được tạo ra với hướng tới có độ trải góc nhất định. Ở đường lên K

người dùng cùng phát tín hiệu trên các kênh đa đường không thay đổi theo

thời gian (mỗi kênh có L thành phần đa đường) tới trạm gốc.

Xét trường hợp chỉ một anten phát (MT =1), một nhánh phân tập thu (MD

=1) và MB phần tử anten tạo búp được sử dụng với một máy thu RAKE có LR

“nhánh”. Bộ tạo búp MB phần tử tạo ra mẫu búp anten trùng với hàm mật độ

xác suất của hướng tới của tín hiệu người sử dụng. Kỹ thuật tạo búp này làm

tăng tối đa tỉ số tín hiệu trên tạp (SNR) thu được của tín hiệu từ người dùng.

Bộ tạo búp được sử dụng ở đây không thực hiện việc triệt búp (null-steering)

để giảm thiểu nhiễu từ các nguồn nhiễu công suất cao cụ thể. Có rất nhiều

các thuật toán khác nhau để xác định tập hợp trọng số w(k) đã được đề xuất

trong thời gian gần đây. Nhưng cần chú ý rằng kết quả phân tích chỉ tiêu tỉ lệ

lỗi bít (BER) không phụ thuộc vào những giá trị trọng số anten cụ thể. Hơn

nữa, các phần tử anten được giả thiết là đặt cách nhau đủ gần để đảm bảo sự