xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3g

xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3g

Mục lục

Lời nói đầu 2

Thuật ngữ viết tắt 3

Danh mục hình vẽ 4

Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3G 5

1 Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống 5

2 Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong các thiết bị thu phát song công của UE 8

2.1 Sơ đồ các khối 8

2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát và máy thu vào một anten 10

2.3 Kiến trúc máy phát 11

2.4 Kiến trúc máy thu 12

Lời kết luận 18

Lời nói đầu

Hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh trên toàn thế giới, và Việt Nam cũng không nằm ngoài dòng chảy của sự phát triển này Trước yêu cầu ngày càng cao kể về số lượng người sử dụng và chất lượng dịch vụ việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ kĩ thuật tiên tiến vào thực tiễn luôn luôn là một đòi cấp thiết

Một trong những thành tựu đang được áp dụng vào thực tiễn tại nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam đó là công nghệ mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) Công nghệ mạng 3G là sự lựa chọn của rất nhiều nhà cung cấp viễn thông khi các thế hệ công nghệ mạng trước không đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường Được ứng dụng rất nhiều các công trình nghiên cứu mạng 3G ngày càng thể hiện những ưu điểm vượt trỗi của mình so với các thế hệ mạng đi động thứ 2 (2G) như: Về dung lượng, về tính đa của dịch vụ, về tốc độ truyền dẫn… Một trong những yếu tố làm lên những thay đổi này là do quá trình xử lý tín hiệu lớp vật lý tại các thiết bị thu phát đã được ứng dụng các công nghệ mới cải thiện được những hạn chế so với công nghệ trước đó

Trong bài tiểu luận này chúng em trình bày về vấn đề “ xử lý tín hiệu lớp vật lý

và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3G” Về nội dung này chúng em trình bày

các vấn đề chính sau:

 Kiến trúc WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống

 Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong thiết bị thu phát song công UE

o Sơ đồ khối

o Kiến trúc máy phát

o Kiến trúc máy thu

Dù đã rất cố gắng xong do đây là một công nghệ mới và chúng em còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức nên chắc rằng bài tiểu luận của chúng em còn có nhiều sai sót cũng như hạn chế Chúng em mong nhận được những lời nhận xét của thầy để chúng em được hiểu hơn về nội dung này, cho bài làm sau của chúng em được hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Thuật ngữ viết tắt

Từ viết

tắt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã UMTS Universal Mobile Telecommunication

System

Hệ thống thông tin di động UMTS

WCDM

A

Wideband Code Division Multiple Access CDMA băng rộng

SNR Signal- to- Noise Rate Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gian

FDD Freqency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

số ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi từ tương tự sang số DAC Digital to Analog Converter Bộ biển đổi từ số sang tương tự

AFC Automatic Frequency Control Bộ tự động điều chỉnh tần số

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường RLC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến PDCP Packet Data Convergence Giao thức hội tụ số liệu gói

BMC Broadcast Multicast Control Điều khiển quang bá đa phương tiện RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

DCA Direct Conversion Architecture Kiến trúc biến đổi trực tiếp

DS -

CDMA

Direct speading-

CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp

Danh mục hình vẽ

Số

hình

4 Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD 7

7 Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp 12

Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát

trong mạng 3G

1 Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống

Kiến trúc tổng quát của hệ thống 3G WCDMA UMTS được cho trên hình 1

Hình 1 Cấu trúc đường truyền Hình 1 cho thấy UE qua đương vô tuyến được nối đến nút B của mạng UMTS Nút B hay còn gọi là BTS ( Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc) chứa các phần từ thu phát vô tuyến và xử lý băng gốc Nút B được nối đến BNC (Radio Network Control: Bộ điều khiển mạng vô tuyến) của mạng UMTS qua đường truyền dẫn viba hoặc quang Mạng lõi là hệ thống các chuyển mạch và các đường truyền dẫn để kết nối đến mạng ngoài hoặc đến một UE khác Trong phần này chúng ta chỉ xét đến quá trình xử lý truyền dẫn trên đường vô tuyến đến nút B Quá trình xử lý tín hiệu trên đường truyền từ UE đến nút B được phân thành nhiều lớp theo mô hình OSI bảy lớp được trình bày ở hình 2

Hình 2: Mô hình OSI bảy lớp cho UE

Ngăn xếp giao thức của giao diên vô tuyến bao gồm 3 lớp giao thức

● Lớp vật lý (L1) Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao điện vô tuyến như điều

chế và mă hóa, trải phổ…

● Lớp kết nối số liệu (L2) Lập khuân số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo

truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp

● Lớp mạng (L3) Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến.

Các lớp cao thực hiên biến đổi các tín hiệu từ lớp ứng dụng vào các lớp 3 và lớp

2 Các tín hiệu được xử lý tại lớp 3 và 2 bao gồm báo hiệu và lưu lượng

+ Báo hiệu được xử lý tại RRC ( Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) trong lớp 3

+ Lưu lượng được xử lý tại PDCP ( Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC ( Broadcast/ Multicast Control: Điều khiển quảng

bá và đa phương) trong lớp 2

+ Sau đó các tín hiệu này được xử lý tại RLC ( Radio Link Control: Điều khiển liên kết vô tuyến) và MAC ( Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) trong lớp 2 rồi đưa đến lớp 1

+ Tại lớp 1, tín hiệu được xử lý bít, xử lý chip sau đó được đưa lên phần vô tuyến Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo nên các kênh vô tuyến để truyền lên đường vô tuyến

Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện đường vô tuyến Mỗi kênh vật lý được xác định bằng một

tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên) Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp cao tren gia diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý được dành cho hoạt động của lớp vật lý

Hình 3: Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE

RLC là một lớp con của lớp 2 chịu trách nhiệm cung cấp dịch vụ liên kết vô tuyến giữa UE và mạng Tại máy phát, các lớp 3 và các lớp con cao hơn cưa lớp 2 như như RRC lớp (3), BMC ( lớp con của lớp 2), PDCP ( lớp con của lớp 2) hay thoại hoặc số liệu chuyển mạch kênh đã cung cấp số liệu trên các kênh mang trong các đơn vị số liệu dịch vụ SDU ( Service Data Unit) Các SDU này được RLC sắp đặt và các PDU ( Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói) Sau đó PDU được gửi trên các kênh logic do MAC cung cấp Sau đó MAC sẽ sắp xếp các kênh logic này lên các kênh truyền tải trước khi chuyển nó lên lớp vật lý Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo

ra các kênh vật lý để truyền nó trên đường truyền vô tuyến

Tóm lại, để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng các sử dụng các kênh logic MAC sắp xếp các kênh này lên kênh truyền tải trước khi đưa lên lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý Tại phía thu quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện theo chiều ngược với phía phát

Bảng 1 Các thông số lớp vật lý W-CDMA

DS-CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp

OCQPSK(HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying ( Hybrid PSK) Khóa chuyển pha vuông góc trực giao

CS-ACELP: Conjugate Structure- Algebraic Code Excited Linear Prediction: Dự báo tuyến tính kích thích theo mã đại số cấu trúc phức hợp

DL: Downlink: đường xuống; UL: Uplink: đường lên

AMR: Adaptive Multi Rate- Đa tốc độ thích ứng

3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ ba ETSI: European Telecommunications Standards Ínstitute: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp công nghiệp và kinh doanh vô tuyến

2 Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong các thiết bị thu phát song công của UE

2.1 Sơ đồ các khối

Công nghệ truy nhập vô tuyến của UE có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được và đưa đến các giao diện vô tuyến, công nghệ này gồm ba phần tử:

Máy thu phát vô tuyến: Bao gồm các chức năng liên quan đến hoạt động của UE, tiền xử lý số liệu thu và xử lý số liệu cần thiết cho điều chế Một số quá trình xử lý được thực hiện mà không cần sự điều khiển và quản lý của lớp trên lớp vật lý như đồng bộ, trong khi đó các hoạt động khác lại đòi hỏi thông tin điều khiển từ các lớp trên như mẫu chế độ nén Nhiệm vụ trước hết của thực thể này là đồng bộ, trải phổ và giải trải phổ tín hiệu

Thực thể xử lý tốc độ bit bao gồm chức năng xử lý thông tin thực sự nhận được

và đưa tới các lớp cao hơn phù hợp cho truyền dẫn trên giao diện vô tuyến thông qua khổi xử lý tấc độ chíp Nhiệm vụ trước hết của thực thể này là bảo vệ tín hiệu

và sửa lỗi

Phần cứng của bộ thu phát vô tuyến cung cấp giao diện giữa awnten và thực thể

xử lý tín hiệu số tiếp theo Sơ đồ khối của phần tử xử lý tín hiệu lớp vật lý của một thiết bị thu phát WCDMA FDD điển hình được cho trên hình 2

Hình 4 : Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD Phần cứng vô tuyến được chia thành 4 thành phần sau:

 Các bộ lọc vô tuyến thu được khuếch đại và biến đổi hạ tần tín hiệu vô tuyến thu từ anten

 Khối xử lý băng gốc thu lọc và biến đổi tín hiệu tương tự vào tín hiệu số và

xử lý tín hiệu này tại thực thể xử lý tốc độ chip

 Khối xử lý băng gốc phát bao gồm các khối xử lý và chuyển đổi tín hiệu số vào tương tự thích hợp cho điều chế

 Phần vô tuyến phát điều chế, biến đổi nâng tần vào khuếch đại tín hiệu vào sóng vô tuyến công suất cao

Điều khiển tần số được thực hiện bằng bộ dao động nội (LO) Băng tần rộng của tín hiệu UMTS cho phép đảm bảo các yêu cầu về tạp âm pha dễ dàng hơn GSM Có thể thực hiện một bộ tổng hợp tần số LO duy nhất cho hoạt động song công cố định, tuy nhiên đối với các kiến trúc biến đổi trực tiếp, tiện lợi hơn là sử dụng 2 bộ tổng hợp tần số LO độc lập: một cho phát và một cho thu Việc ứng dụng chế độ nén đòi hỏi máy thu phải điều chỉnh đến kênh khác để đo tín hiệu Để trong khoảng thời gian ngắn theo quy định cần đảm bảo điều chỉnh bộ tổng hợp nhanh Độ chính xác của đầu khối được xác định bởi chuẩn tần số và điều này được đảm bảo bởi mạch vòng AFC để duy trì đồng bộ tần số với trạm gốc Khi hoạt động trong chế độ không nén các mạch điện GSM và UMTS làm việc đồng thời và cần chọn tần số chuẩn để đáp ứng yêu cầu của cả 2 hệ thống

DAC và ADC cung cấp giao tiếp giữa khối tốc độ chip và các tầng vô tuyến DAC, phát phải có dải động lực lớn để đáp ứng các yêu cầu về dò kênh lân cận ADC thu phải có dải động đủ lớn để đảm bảo tỷ số công suất đỉnh trên công suốt trung bình của tín hiệu và các tín hiệu chặn, ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào giải thuật AGC áp dụng cho máy thu Cả 2 đều làm việc tại tốc độ gấp nhiều lần tốc độ chip ( thường là từ 4 đến 8) để đảm bảo yêu cầu lọc và độ phân giải thời gian cần thiết cho máy thu RAKE Các bộ lọc kênh UMTS, các bộ lọc tạo dạng xung đều

sử dụng các bộ lọc cosin tăng căn hai (RRC: root raised Cosin) trong băng tần gốc

Tầng vô tuyến phát đảm bảo biến đổi tín hiệu băng gốc vào vô tuyến và đảm bảo điều khiển nút công suốt cho máy phát Điều chế áp dụng cho WCDMA khác với điều chế trong GSM ở chỗ nó không có biên độ không đổi Méo biên độ trong các phần tử xử lý tín hiệu sẽ dẫn tới giảm cấp điều chế không thể chấp nhận và vì thể phải xử dụng các mạch vô tuyến tuyến tính Một vấn đề nữa của hệ thống WCDMA xảy ra giữa các máy di động là chúng co khoảng cách khác nhau so với trạm gốc Do rất nhiều trạm đầu cuối dùng chung một tần số, nên một máy di động

ở gần trạm gốc có thể chặn một máy di động khác ở xa cùng tần số nếu nó phát ở mức công suất cao Vấn đề này được khắc phục bằng các sử dụng vòng điều khiển công suất phát được điều chỉnh 1500 lần trong một giây Các mạch điều chỉnh công suất phát đóng vai trò rất quan trọng đối với hiệu năng của heej thống WCDMA

2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát và máy thu vào một anten.

Nếu không cách lý máy phát với máy thu, tín hiệu phát sẽ chặn tín hiệu thu Điều này thường được thực hiện bằng hai phần lọc băng thông được gọi là bộ lọc song công Bộ lọc song công phải có tổn hao chèn thấp trong băng tần phát (băng Tx), cách lay cao máy phát với máy thu trong băng tần thu, tổn hao chèn thấp tỏng băng tần thu

Tại máy phát, có thể giảm tổn hao chèn, nếu bộ lọc song công giảm tạp âm đến

từ bộ khuếch đại công suất (PA), còn tạp âm được tạo ra trước PA phải được lọc trên đường truyền tính hiệu phát Một điểm thiết kế khác cần lưu ý là dò công suất phát vô tuyến tác động vào băng thu do tính phi tuyến của máy thu Bảng 8.2 cho thấy các yêu cầu điển hình của bộ lọc song công

Thông số Yêu cầu tính theo dB

Suy hao từ phần vô tuyến phát đến

anten trong băng Tx

<1,5

Suy hao từ anten đến phần vô tuyến thu

trong băng Rx

<2,5

Tầng vô tuyến thu phải có khả năng xử lý nhiều tín hiệu thu được tại cùng một tần

số Để phân tách được tín hiệu mong muốn với các tín hiệu đồng kênh khác nhau, máy thu phải duy trì tính trực giao giữa các kênh mã khác nhau Tỷ số công suất đỉnh vô tuyến tuyến tính và cần phải lưu ý đến trễ nhóm vi sai trong máy thu

2.3 Kiến trúc máy phát.

Hình 5 cho thấy kiến trúc máy phát 3G UMTS sử dụng đổi tần Tín hiệu từ các lớp trên được đưa đến loeps vật lý Tại lớp vật lý thực hiện xử lý băng gốc ở miền số và tín hiệu truyền dẫn vô tuyến ở miền tương tự Trong phần xử lý tính hiệu băng gốc, trước hết tín hiệu được mã hóa sử lỗi bằng cách gắn thêm vào các bit CRC Sau đó nó được mã hóa bằng mã xoắn hoặc mã turbo và được đan xen theo khối để được có thể sửa lỗi tại phía thu Sau đó tính hiệu được trải phổ bằng

mã định kênh OVSF (Orthogonal Variable Speading: hệ số trải phổ trực giao khả biến) để phân biệt các loại kênh khác nhau Để phân biệt nguồn phát (máy di động) tính hiệu được ngẫu nhiên hóa bằng một mã ngẫu nhiên Trước khi đưa lên điều chế sóng mang tính hiệu được lọc bởi bộ lọc tạo dạng xung có tên là RRC (Root Rased Cosine: bộ lọc cosin tăng căn hai) và được biến đổi từ số sang tương

tự Trong phần xử lý tính hiệu vô tuyến, trước hết tính hiệu tương tự được điều chế BPSK bằng bộ điều chế vecto tương tự tại sóng mang được tạo ra từ bộ dao động nội 1 (LO1), sau đó được lọc băng thôn trước khi đưa lên bộ trộn biến đổi năng tần dựa theo bộ dao động nội 2 (LO2) Cuối cùng tín hiệu được lọc, được khuếch đại tại tần số vô tuyến, được lọc một lần nữa trước khi đưa lên anten Cũng như trong trường hợp kiến trúc máy thu ngoại sai ( máy thu đổi tần), máy phát truyền thống

có thể có nhiều tầng đổi tần từ tầng điều chế/ tạo dao động nội trung tần đến tầng khuếch đại công suất cuối cùng (hình 5) Cách thiết kế này cho phép bộ phận lớn cửa máy phát bao gồm khuếch đại, lọc và điều chế được thực hiện trong các tầng tích hợp cao với giá thành rẻ Tuy nhiên cách làm này cũng dẫn đến rủi ro cao khi phải đảm bảo hiệu năng cao Nhược điểm của cách thiết kế này là xuất hiện một khối lượng lớn các tần số không mong muốn bao gồm các tần số ảnh Nhiễu giả đẫn đến phải có nhiều bộ lọc Nếu cần thiết kế máy cầm tay đa bằng/ đa tốc độ, thì

số lượng phần từ có thể tăng rất cao Có thể sự dungjc ác bộ trộn loại bỏ tần số ảnh