TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ ỨNG DỤNG Đề tài : TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH W-CDMA BẰNG GHÉP KÊNH THEO MÃ TRẢI PHỔ THÍCH ỨNG Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Học viên : ĐINH THÙY HƯƠNG MSHV : CB110859 Lớp : KTTT1B Hà Nội, tháng 02/2012 1 TĂNG DUNG LƯỢNG KÊNH W-CDMA BẰNG GHÉP KÊNH THEO MÃ TRẢI PHỔ THÍCH ỨNG Increasing W-CDMA channel capacity By adaptive spreading spectrum code division multiplex Abstract: UMTS using WCDMA for air interface has been put into service and field in many countries over the World. However new technologies, especially digital signal processing technologies are still studied to enhance system performance. This paper firstly discusses general WCDMA physical channel, then proposes modified WCDMA physical channel in order to use efficiently channelization code resource and increase average channnel capacity based on adaptive code division multiplex. 1. Giới thiệu Trong các hệ thống thông tin việc sử dụng hiệu quả băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu. Các hệ thống được thiết kế sao cho độ rộng băng tần càng nhỏ càng tốt. Trong W- CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Đối với các hệ thống thông tin trải phổ (SS : Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng trước khi được phát. Tuy độ rộng băng tần tăng lên rất nhiều nhưng lúc này nhiều người sử dụng có thể dùng chung một băng tần trải phổ, do đó mà hệ thống vẫn sử dụng băng tần có hiệu quả đồng thời tận dụng được các ưu điểm của trải phổ. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau : - Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS : Direct Sequence Spreading Spectrum) : Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit. - Trải phổ nhảy tần (FHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum): Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip T C được cố định không đổi . Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại. - Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Trong hệ thống DSSS, tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng, công suất thấp giống tạp âm. Trong các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào dùng chung tần số hoặc khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh bị xung đột. Nói cách khác DSSS là kiểu hệ thống lấy trung bình, FHSS và THSS là kiểu hệ thống tránh xung đột. Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS nên ta chỉ xét kỹ thuật trải phổ DSSS. 2. Nguyên lý trải phổ DSSS Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit. 2 Tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên và tốc độ bit được tính theo công thức sau : R C = 1/T C (2.1) R b = 1/T b (2.2) Trong đó : R C : tốc độ chip tín hiệu giả ngẫu nhiên. R b : tốc độ bit. T C : thời gian một chip. T b : thời gian một bit. T b = T n T b = T n T c T b : Thời gian một bit của luồng số cần phát T n : Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ T C : Thời gian một chip của mã trải phổ Hình 2.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 2.1. Mã trải phổ Các tín hiệu trải phổ băng rộng được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm PN (Pseudo Noise). Mã giả tập âm còn được gọi là mã giả ngẫu nhiên do có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) và có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định. Tuy nhiên máy thu cần biết mã này để tạo bản sao một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để giải mã bản tin. Vì thế mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định. Mã giả ngẫu nhiên được tạo ra bằng các bộ thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính (LFSR : Linear Feedback Shift Register) và các cổng XOR. c i S i (1) S i (2) g 1 g 2 g m-1 c i-m Đến bộ điều chế S i (m) Hình 2.2. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng. Một chuỗi thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính bậc m (m > 0) : ( ) 01 1 1 . gxgxgxgxg m m m m ++++= − − (với g m = g 0 = 1) (2.3) x m : Đơn vị trễ. Giả sử ta nạp chuỗi giá trị khởi đầu cho thanh ghi dịch : S 0 = {S 0 (1), S 0 (1), …S 0 (m)} Giá trị đầu ra trong (m -1) xung đồng hồ đầu tiên là : C 0 = S 0 (m) C 1 = S 0 (m-1) …. 3 C m-1 = S 0 (1) Tại xung đồng hồ thứ i (i > m-1) ta có trạng thái của thanh ghi dịch : S i (m) = S i-1 (m-1) = S i-2 (m-2) = …= S i-m+1 (1) (2.4) S i-m+1 (1) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m) (g m = 1) => S i (m) = g 1 .S i-m (1) + g 2 .S i-m (2) + …+ S i-m (m) (2.5) Áp dụng công thức (4.12), ta có : S i (m) = g 1 .S i-1 (m) + g 2 .S i-2 (m) + …+ S i-m (m) (2.6) Giá trị đầu ra tại xung thứ i chính là giá trị phần tử nhớ S i (m) của thanh ghi dịch : => C i = g 1 .C i-1 + g 2 .C i-2 + …+ C i-m (2.7) Hay : C i+m = g 1 .C i+m-1 + g 2 .C i+m-2 + …+ C i (2.8) Tốc độ của mạch như trên bị hạn chế về tốc độ do tổng thời gian trễ trong các thanh ghi và các cổng loại trừ ở đường hồi tiếp. Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao tốc độ của mạch tạo mã ngẫu nhiên ta có thể sử dụng sơ đồ mạch sau : S i (1) S i (2) g 2 g m-1 c i Đến bộ điều chế S i (m) Hình 2.3. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao S i (j) : Là giá trị phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i. g i = 0 : khóa mở, g i = 1 : khóa đóng. g 1 2.2. Các hàm trực giao Các hàm trực giao được sử dụng để cải thiện hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống DSSS. Trong hệ thống thông tin di động W-CDMA mỗi người sử dụng một phần tử trong các hàm trực giao. Hàm Walsh và các chuỗi Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao. Trong W-CDMA các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách là mã trải phổ hoặc các ký hiệu trực giao. Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt gọi được gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn bit “0”, các hàng còn lại có số bit “1” và số bit “0” bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N = 2 j , trong đó j là một số nguyên dương. Tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau : NN NN N HH HH HHHH ==== 2421 , 0110 1100 1010 0000 , 10 00 ,0 Trong đó N H là đảo cơ số hai của H N . 3. Ghép kênh đa mã đường xuống 3.1. Sơ đồ trải phổ và điều chế đường xuống 4 Khái niệm trải phổ và ngẫu nhiên hóa đường xuống được minh họa trên hình 3.1. Ngoại trừ các SCH, 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 dịnh 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 2.11. 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 sẽ xét trong cương 3), 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 2.11. 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 3.1 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống 3.2. Sơ đồ tổng quát kênh vật lý đường xuống WCDMA Trước hết luồng số cần truyền b i (t) với tốc độ bit R b được đưa ra qua bộ xử lý tín hiệu số để mã hoá khối tuyến tính, mã hoá xoắn hoặc turbo, đan xen và phối hợp tốc độ. Đầu ra của bộ xử lý tín hiệu số ta được luồng số có tốc độ bit kênh R. Thông thường tốc độ R lớn hơn R b khoảng hai lần. Sau đó luồng số này đựoc đưa lên bộ biến đổi nối tiếp-song song (S/P) để chuyển thành hai luồng độc lập d i (I) (t) và d i (Q) (t) cho nhánh I và nhánh Q với tốc độ ký hiệu R s cho mỗi luồng. Tiếp theo hai luồng này được trải phổ bằng một mã định kênh C i (t) có tốc độ chíp R c = 3,84 Mcps. Sau mã hoá định kênh và trải phổ hai luồng nhánh I và Q được đưa lên ngẫu nhiên hoá (để đơn giản ta gọi là trải phổ mức hai) bằng cách nhân phức với mã nhận dạng BTS (hay nút B theo thuật ngữ của WCDMA) phức S D,n (t). Sau trải phổ mức hai, luồng phức được chia thành hai luồng: thành phần thực vào nhánh I và thành phần ảo vào nhánh Q. Hai luồng này được qua bộ tạo dạng xung và nhân với hai sóng mang trực giao: cos(w c t) ở nhánh I và - sin(w c t) ở nhánh Q rồi cộng với nhau để được tín hiệu sau điều chế QPSK: S(t). 5 Hình 3.2 Sơ đồ tổng quát kênh vật lý đường xuống WCDMA Để tăng dung lượng kênh đường xuống ta có thể sử dụng sơ đồ ghép kênh đa mã như sau: Hình 3.3 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 3.3. 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 (kênh hoa tiêu chung sơ cấp) và P-CCPCH là C ch,256,0 và C ch,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, mã (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 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. 3.4. Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống Trên đường xuống chỉ có các mã ngẫu nhiên hóa dài là được sử dụng. Có cả thẩy 2 18 -1=262143 mã ngẫu nhiên được đánh số từ 0 đến 262142. Các chuỗi mã ngẫu nhiên được ký hiệu là S dl,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 6 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 3.4, 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). 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 Hình 3.4 Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp 3.5. Đề xuất tăng dung lượng kênh bằng ghép luồng thích ứng theo mã trải phổ Ta thấy kênh truyền dẫn WCDMA có các đặc điểm sau: - Trải phổ hai lớp (bằng mã định kênh OVSF và ngẫu nhiên hoá) - Số lượng mã định kênh OVSF hạn chế, vì thế phải chọn lựa mã hợp lý nếu không sẽ thiếu. - Sơ đồ không cho phép thay đổi linh hoạt tốc độ bit khi điều kiện truyền sóng thay đổi. Vì thế phải thiết kế dung lượng cố định cho điều kiện truyền sóng xấu, nên dẫn đến lãng phí dung lượng khi điều kiện truyền sóng tốt. Để khắc phục hai nhược điểm sau cùng nêu trên ta có thể sử dụng thêm một lớp trải phổ thứ ba đặt trước trải phổ định kênh như trình bày trên hình 4. Luồng số sau xử lý tín hiệu số và biến đổi S/P (hình 3.11) được đưa lên bộ phân kênh ký hiệu để chia các nhánh I và Q thành n luồng. Sau đó từng cặp luồng nhánh I và Q được trải phổ phức bằng mã ngẫu nhiên hoá phức. Tiếp theo các luồng nhánh được cộng mức theo từng chíp với nhau để được hai luồng tổng I và 7 Q có tốc độ ký hiệu bằng Rs/n. Sau cùng quá trình tiếp diễn như đã xét ở sơ đồ 3.1. Trong trường hợp này, ta được tín hiệu sau điều chế S(t) như sau: Hình 3.5 Sơ đồ đề xuất thích ứng dung lượng và cải thiện phân bổ mã định kênh S ( t ) = ∑ j =1 n d ij ( t ) S j ( t ) C i ( t ) S D ,n (t)e j ω c t trong đó: S j (t) là mã ngẫu nhiên hoá phức cho nhánh j d ij ( t ) =d ij ( I ) ( t ) + j d ij ( Q ) (t) Thông số n được chọn thích ứng theo tốc độ R b của luồng số cần truyền với điều kiện SF=R c /(R s /n)=const để đảm bảo mã kênh C i (t) không đổi. Chẳng hạn nếu tốc độ R b tăng lên bốn lần và n được chọn bằng bốn để SF và C i (t) tương ứng không đổi. Thí dụ về chọn n thích ứng môi trường cho trường hợp thông tin phát đến hai MS như hình 3.6. Hình 3.6 Thí dụ về ghép trải phổ thích ứng điều kiện truyền sóng 3.6. Kết quả Bằng cách bổ sung thêm lớp trải phổ thứ ba với sử dụng ghép kênh theo mã trải phổ thích ứng như trên, ta đạt được 3 cải thiện sau: - Đối với trường hợp kênh truyền có tốc độ bít cao, do tốc độ kí hiệu giảm n lần nên không nhất thiết phải sử dụng sơ đồ đa mã như ở hình 3.3. Thí dụ nếu tốc độ bit kênh R = 8x960 kbit/s thì R s ≈ 4x960 kbit/s nếu chọn n = 4 ta được R s /4 = 960 kbit/s, vì thế SF=R c /(R s /n) = 3,84.10 3 /960 = 4 nên ta chỉ cần chọn mã định kênh C i (t) bằng một trong 4 mã C ch 4,k (k=0,1,2,3). Như vậy ta có thể tiết kiệm được tài nguyên mã. - Chọn lựa n thích ứng theo điều kiện truyền sóng cho phép tăng tốc độ Rb khi điều kiện truyền sóng tốt vì thế tăng dung lượng trung bình kênh. - Lớp trải phổ thứ ba bằng các mã ngẫu nhiên còn cho phép tăng thêm tính trực giao. 8 Hai vấn đề cần giải quyết tiếp: - Chọn n mã ngẫu nhiên hoá cho ghép kênh theo mã trải phổ. - Giải thuật chọn n thích ứng môi trường truyền dẫn kênh vô tuyến. Để giải quyết vấn đề thứ nhất ta có thể sử dụng các mã còn lại chưa được sử dụng của mã ngẫu nhiên xác định (trừ 8192 mã sử dụng cho nhận dạng BTS). Vấn đề thứ 2 có thể được giải quyết theo giải thuật đánh giá chất lượng truyền dẫn kết hợp với điều khiển công suất nhanh ở WCDMA. 4. Kết luận Các hệ thống CDMA được xây dựng trên cơ sở trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Việc sử dụng trải phổ cùng với các mã trực giao cho phép nhiều đầu cuối di động có thể dùng chung một tần số. Khi này tính trực giao của các mã và trải phổ cho phép một máy thu đầu cuối có thể dễ dàng tách ra được tín hiệu của mình. Do sử dụng chung một tần số nên có thể áp dụng chuyển giao mềm cho CDMA. Trong chuyển giao mềm một máy di động có thể kết nối đến nhiều trạm gốc trên cùng một tần số nhưng với mã trải phổ khác nhau. Ưu điểm của chuyển giao mềm là không làm mất cuộc gọi trong quá trình chuyển giao mặc dù nó làm giảm phần nào dụng lượng ô và tăng thêm tính phức tạp hệ thống. Nhưng cũng vì sử dụng chung một tần số nên có thể xẩy ra hiện tượng gần xa, trong đó máy di động gần trạm gốc sẽ gây nhiễu cho các người sử dụng khác. Để khắc phục nhược điểm này phải áp dụng điều khiển công suất nhanh cho CDMA trong đó mày di động gần trạm gốc sẽ được điều chình phát công suất thấp hơn máy di động ở xa trạm gốc. Điều khiển công suất nhanh trong WCDMA được thực hiện 1500 lần trong một giây. Một đặc điểm nữa của CDMA là các mã ngẫu nhiên hóa mang tính trực giao khá cao nên các đường truyền đến máy thu có độ trễ khác nhau thời gian chip hoặc lớn hơn thời gian này đều độc lập với nhau và vì thế có thể sử dụng phân tập đa đường (hay máy thu RAKE) trong CDMA. Nguyên tắc của máy thu RAKE là chọn một số đường có công suất thu lớn hơn ngưỡng, đồng chỉnh pha các đường này rồi cộng công suất thu của chúng với nhau. WCDMA sử dụng hai tầng trải phổ: (1) trải phổ bằng mã định kênh, (2) trải phổ bằng mã nhận dạng nguồn phát. Mã định kênh được xây dựng trên cơ sở mã hệ số trải phổ trực giao khả biến (OVSF), trong đó hệ số trải phổ SF=R s /R c với R s là tốc độ ký hiệu và R c là tốc độ chip. Mã ngẫu nhiên hóa được cấu trúc từ mã Gold. WCDMA sử dụng điều chế QPSK cho đường xuống và BPSK cho đường lên. Để giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu điều chế, ngẫu nhiên hóa phức được sử dụng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L. HANZO AND OTHER, Adaptive Wireless Transceiver, Wiley, Great Britain, 2002 [2] NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG, Thông tin di động thế hệ 3 (giáo trình), Học viên Công nghệ BCVT, năm 2003. 9