Kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến, hệ thống WCDMA, hệ thống CDMA 2000

° Các kỹ thuật trải phổ SS - Spread Spectrum dùng trong hệ thống CDMA – Trải phổ chuổi trực tiếp DS/SS Direct Sequence - SS Phổ tín hiệu được trải bằng cách nhân trực tiếp với chuổi PN c

Hướng lên

° Các kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến

– Đa truy cập phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Thuê bao được phân bởi tần số

– Đa truy cập phân chia thời gian TDMA (Time Division

Multiple Access)

Thuê bao được phân chia bằng thời gian và tần số.

– Đa truy cập phân chia mã CDMA (Code Division

Multiple Access)

Thuê bao được phân chia bằng mã.

f 0

Freq

uency

B C A

Code A

A B C

Time

Freq

uency

B C

B

A

Base-band Spectrum Radio Spectrum

spread spectrum

frequency frequen

cy

– Đặc điểm của kỹ thuật FDMA

 Ưu Điểm:

+ Đơn giản + Hiện tượng ISI bé -> không cần bộ cân bằng (equalizer) + Không cần đồng bộ mạng

+ Đồng bộ khung và khôi phục định thời bit dễ + Không cần bộ mã hóa thọai (Voice Coder)

+ Dễ dàng định vị thuê bao + Nhiều lọai hình dịch vụ

+ Vấn đề điểu khiển công suất MS và BTS phức tập + Vấn đề đồng bộ chuổi PN phức tạp (đồng bộ thô và tinh chỉnh)

° Cấu trúc cơ bản của một hệ thống CDMA

Mã Hóa Thọai

Mã Hóa Thọai Mã HóaMã HóaKênh Kênh Ghép Xen Trải Phổ

Điều Chế Số

Điều Chế Số Đa TruyĐa TruyCập Cập Máy Phát

Dạng Sóng (Wave Form) Dòng Bit (Bit Stream)

Hướng Lên

° Cấu trúc cơ bản của một hệ thống CDMA

Giải Mã Hóa Thọai Hóa ThọaiGiải Mã Hóa Kênh Hóa KênhGiải Mã Giải Mã Ghép Xen Ghép XenGiảiGiải Dồn Phổ

Giải Điều Chế Số

Giải Điều Chế Số Đa TruyĐa TruyCập Cập Máy Thu

Dạng Sóng (Wave Form) Dòng Bit (Bit Stream)

Hướng Xuống

° Các kỹ thuật trải phổ (SS - Spread Spectrum) dùng trong hệ thống CDMA

– Trải phổ chuổi trực tiếp DS/SS (Direct Sequence - SS)

Phổ tín hiệu được trải bằng cách nhân trực tiếp với chuổi PN có tốc độ chip cao

– Trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequency Hopping - SS)

Phổ tính hiệu được trải bằng cách nhảy tần trên một tập tần số nhảy (cách nhảy được xác định bằng chuồi PN)

–Trải phổ nhảy thời gian TH/SS (Time Hopping - SS)

Phổ tín hiệu được trải bằng cách một khối dữ liệu được nén và truyền gián đọan trong một ho c vài khe thời gian (time slot) ặc vài khe thời gian (time slot) trong một khung (frame) Mô hình nhảy thời gian được xác định bằng chuổi PN

Hàm tự tương quan tín hiệu công suất:

Hàm tự tương quan tín hiệu tuần hoàn:

2 0

0

0 0

) (

1

lim

t

t t

dt t

0

0 0

) ( ) (

1

lim

t

t t

dt t

x t

dt t

x t

x

T ( )()

1



– Tín hiệu xác định (tt) :

Mật độ phổ công suất:

Suy ra:

Công suất trung bình:

Tự tương quan của tín hiệu năng lượng:

Năng lượng trung bình:

x( )2

– Tín Hiệu ngẫu nhiên:

Giá trị trung bình của một tín hiệu:

Hàm tự tương quan của tín hiệu ngẫu nhiên:

Hàm mật độ phổ công suất:

Hàm tự tương quan :

Công suất trung bình:



– Tín hieäu nhò phaân:

– Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất:

– Tự tương quan và tương quan chéo:

Cross-Correlation between Code A and Code B = 5/16

Self-Correlation for each code is 1.

one data bit duration

20

 

i i

t T

c t

– Mật độ phổ công suất của tín hiệu: tin tức, chuổi PN và DS/SS-BPSK

– CDMA 1 người gởi

– CDMA 2 người gởi

Open Loop Power Control Closed Loop Power Control

estimating path loss

transmit measuring received power

power control command

about 1000 times per second

①

②

28

– Trải phổ nhảy tần FH/SS máy phát, máy thu

cos(2 ' ), When data bit = 0 ( )

cos(2 ( ' ) ) when data bit = 1

g

f f

f0  ' 

– Giản đồ nhảy tần cho trải phổ nhảy tần nhanh

– Giản đồ nhảy tần cho trải phổ nhảy tần chậm

– Trải phổ nhảy thời gian TH/SS

– So sánh giữa các kỹ thuật trải phổ

TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP

TRẢI PHỔ NHẢY TẦN

TRẢI PHỔ NHẢY THỜI GIAN

Đơn giản và dễ thực hiện Phức tạp Không phức tạp

Khả năng chống nhiễu cao Khả năng chống nhiễu

kém Khả năng chống nhiễukém Công suất phát thấp Công suất phát cao Công suất phát trung bình Thời gian đồng bộ nhanh Thời gian đồng bộ chậm Thời gian đồng bộ nhanh Tốc độ dữ liệu thấp Tốc độ dữ liệu cao Tốc độ dữ liệu trung bình Khoảng cách truyền gần Khoảng cách truyền xa Khoảng cách truyền gần

Bị ảnh hưởng near-far Không bị ảnh hưởng

near-far Bị ảnh hưởng near-far

– Chuổi PN trong kỹ thuạt trải phổ

Chuổi thanh ghi dịch

+ Cĩ chu kỳ xác định

+ Cĩ tính chất giống tính chất của chuổi ngẫu nhiên (tương

quan chéo và xác suất xuất hiện bit 1 và bit 0)

– Chuổi PN trong kỹ thuạt trải phổ

Chuổi thanh ghi dịch tốc độ cao

+ Chuổi M (chuổi thanh ghi dịch cĩ chiều dài cực đại – Maximal Length Shift Register Sequence)  thanh ghi dịch hồi tiếp  đa thức tạo chuổi

- Dịch và cộng chuổi M vừa dịch là một chuổi M

- Hàm tự tương quan (giống hình đã khảo sát)

- Tính RUN (chiều dài 1 = ½ tổng các khỏang chạy, chiều dài 2 = ¼ tổng các khỏang chạy,…vd: 111100010011010)

- Có duy nhất một chuổi đặc tính Ci = C2i

+ Chuổi Gold (cặp chuổi M mong muốn – tương quan chéo 3 giá trị)

+ Chuổi Kasami (chuổi chia nhỏ của chuổi M và chuổi M có chu kỳ

F 4.4_5Mhz Sử dụng hệ số trãi

phổ khác nhau

1 khung=15 khe thời gian=10ms

Cấp một kênh

UE UTRAN CN External Networks

-USIM(UMTS Subscriber Identity Module)

-Cu, Uu, Iub, Iur, Iu are interface specifications

-UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network

- Các thành phần trong WCDMA

- Cấu trúc triển khai

Phy Lower

layers

Lower layers

Lower layers Phy

Kênh logic Logical channels

Kênh vật lý Physical channels

Kênh truyền tải Transport channels

WCDMA

- Các kênh trong WCDMA

- Các kênh trong WCDMA

+ Kênh luận lý (Logic Channel) :

Kênh Logic định nghĩa loại dữ liệu được truyền đi

+ Kênh truyền tải (Transport Channel) :

Các kênh truyền tải mang các thông số, những đặc tính cần thiết để truyền tải các thông tin dữ liệu qua mạng Các kênh truyền tải được hình thành từ việc sắp xếp các kênh logic

+ Kênh vật lý ( Physical Channel) :

Các kênh truyền tải được xử lý tiếp theo bằng cách ghép vào các kênh vật lý Kênh vật lý được quản lý và xử lý tại lớp vật lý Việc xử lý ở đây thực hiện những kỹ thuật biến đổi cần thiết nhằm tương thích đặc tính truyền dẫn vô tuyến và đảm bảo chất lượng tín hiệu cao nhất

• Kênh truyền tải: mang các thông số, những đặc tính cần thiết để

truyền tải các thông tin dữ liệu qua mạng

Mỗi kênh truyền tải chứa một mã chỉ thị định dạng truyền tải TFI (Transport Format Indicator) TFI được sử dụng để phối hợp làm việc giữa lớp MAC và lớp vật lý Lớp vật lý sẽ ghép đa hợp nhiều kênh truyền tải với nhau để tạo thành một kênh truyền tải mã hóa hổn hợp CCTrCh (Coded Composite Transport Channel) Các thông tin TFI sẽ được lớp vật lý ghép lại tạo thành tổ hợp mã định dạng kênh truyền tải TFCI (Transport Format Combination Indicator) và gởi kèm trong kênh CCTrCh Tổ hợp mã TFCI được truyền đi trong kênh điều khiển vật lý để thông báo với đầu thu kênh truyền tải nào đang được nhận, tới đây TFCI sẽ được giải mã và tạo ra các TFI tương ứng để gởi lên lớp trên

• Có hai lọai kênh truyền tải:

- Kênh truyền tải dành riêng DCH (Dedicated Transport Channel)  mang thông tin điều

khiển cho riêng 1 MS với mạng (DCH – UL, DCH – DL)

- Kênh truyền tải dùng chung CCH (Common Transport Channel)  dùng chung cho tất

cả các MS, có các kênh sau:

+ Kênh quảng bá BCH (Broadcast Channel)  mang thông tin hệ thống, cell, ↓

+ Kênh truy nhập gọi đi FACH (Forward Access Channel)  mang thông tin điều khiển đến UE cho biết để định vị trong Cell Việc gởi kênh này được thực hiện sau khi

BS nhận được bản tin truy nhập ngẫu nhiên, ↓

+ Kênh tìm gọi PCH (Paging Channel)  mang các dữ liệu cần thiết cho các thủ tục nhắn tin, đó là khi hệ thống muốn kết nối liên lạc với UE ↓

+ Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH (Random Access Channel)  mang thông tin điều khiển từ UE, như yêu cầu thiết lập một kết nối ↑

+ Kênh dữ liệu gói chung hướng lên CPCH (Uplink Common Packet Channel)  CPCH là một kênh mở rộng của RACH được sử dụng để truyền dữ liệu user dạng gói trên hướng lên Đi cặp với kênh này, ở hướng xuống dữ liệu gói được truyền trên kênh FACH ↑

+ Kênh chia sẽ hướng xuống DSCH (Downlink Shared Channel)  mang các thông tin

dữ liệu hoặc thông tin điều khiển của user; nó có thể được chia sẽ bởi nhiều user ↓

Downlink PCH

DPCH

CPCH

PRACH PCPCH

CPICH CCPCH SCH

PDSCH

AICH PICH

• Kênh vật lý hướng lên và hướng xuống

• Kênh vật lý hướng lên

+ Kênh vật lý gói chung hướng lên PCPCH (Physical Common Packet Channel): mang thông tin chung, phân phát thông tin gói

• Kênh vật lý hướng xuống

+ Kênh hoa tiêu chung CPICH (Common Pilot Channel): có tốc độ cố định 30 kbps,

mang chuỗi dữ liệu mẫu đã được định nghĩa trước, ứng dụng trong đo đạc và chuyển giao.

+ Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P_CCPCH (Primary Common Control

Physical Channel): mang kênh truyền tải quảng bá BCH.

+ Kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel) : được sử dụng cho thủ tục đồng bộ

mạng Sử dụng khi thực hiện thủ tục định vị và đồng bộ mạng.

+ Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp S_CCPCH (Secondary Common Control

Physical Channel): mang thông tin điều khiển chỉ thị tìm gọi PICH và kênh truy xuất

gọi đi FACH

+ Kênh vật lý dành riêng hướng xuống DPCH : gồm DPDCH và DPCCH mang thông

tin truyền tải riêng như kênh DPCH hướng lên.

+ Kênh chỉ thị tìm gọi PICH (Paging Indication Channel): được phát định kì trước khi

có bản tin tìm gọi nhắc nhở UE sẽ có bản tin tìm gọi

+ Kênh vật lý chia sẻ hướng xuống PDSCH (Physical Downlink Shared Channel):

mang thông tin liên quan đến kênh dành riêng hướng xuống.

+ Kênh chỉ thị trạng thái kênh vật lý chung CSICH (CPCH Status Indication Channel)

mang thông tin trạng thái dữ liệu gói.

• Sắp xếp các kênh truyền tải vào kênh vật lý

Source Encoder

Voice

Signal CRC

Encoder ConvolutionalEncoder IntreleaverBlock RepetitionSympol

C d.ch DPDCH

Spreading

b 1

b 2 DPCCH *j

I+jQ

C S Scrambling

PRACH

b3

Add complex

Filter Pulse_shape

Filter Pulse_shape

- Các bước xử lý ở máy phát

+ Mã hoá nguồn (Source Encoder): gồm hai quá trình số hoá và

nén tín hiệu thoại Số hoá là quá trình biến đổi tiếng nói dạng tương

tự về dạng tín hiệu số phù hợp với các xử lý số tiếp theo trong hệ thống Nén tín hiệu số nhằm làm giảm tốc độ tín hiệu, mục đích tối

ưu hiệu quả đường tuyền

+ Mã hoá CRC (CRC Encoder): thực hiện thêm vào một số bít

kiểm tra CRC mục đích phát hiện lỗi xảy ra

+ Mã hoá xoắn (Convolutional Encoder): chức năng sửa lỗi khối

bản tin

+ Ghép xen (Interleaver): thực hiện hoán đổi vị trí các bít trong

bản tin Chức năng bộ ghép xen là phân tán các bít lỗi, tăng hiệu quả khôi phục và sửa lỗi ở hướng thu

- Các bước xử lý ở máy phát

+ Phối hợp tốc độ (Symbol Repetition): thực hiện lặp hoặc tách bỏ

bít để tất cả các kênh sử dụng đều được xử lý cùng tốc độ Đối với tín hiệu thoại thì phối hợp tốc độ ở đây gồm việc lặp các mẫu bít để đạt được tốc độ truyền dẫn giống nhau cho tất cả các kênh thoại

•Trải phổ (Spreading): thực hiện trải rộng phổ tín hiệu bằng các mã

trực giao Các mã trực giao sử dụng cho hướng lên giúp phân biệt các kênh khác nhau của một thuê bao

•Ngẫu nhiên hoá (Scrambling): thực hiện nhân chuỗi xung tín hiệu

sau trải phổ với chuỗi mã ngẫu nhiên hoá Mục đích của quá trình này là sửa dạng tín hiệu phân bố tập trung hơn tránh tình trạng phổ vạch dẫn đến mạch vòng khoá pha quyết định sai, khôi phục nhằm sóng mạng

•Điều chế (Modulation): biến đổi tín hiệu mang thông tin vào sóng

mang hình sin cho phù hợp với đường truyền vô tuyến

, 2 , 1 , 2 , 0

, 2 , 2 , 2 , 1

2 , 2 , 1

, 2 , 1

2

,1, 0

,1, 0 , 2, 0 ,1, 0

1 2

1 , 2 , 1 2

, 0 , 2 , 0

ch

sf ch

C

C C

.

Kênh Cch,sf,i  ch: channel; sf: hệ số trải phổ; i :là chỉ số của mã ứng

với một hệ số trải phổ tương ứng; {i = (0 , (sf-1)); k = 0 7; sf =

2m ; m = 2 8

- Đặc điểm cây mã OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor)

+ Các mã trên cùng một mức thì có cùng hệ số trải phổ, ứng với mỗi mức, các mã trực giao nhau từng đôi một.

+ Mã đầu tiên trong bất kì một hệ số trải phổ nào cũng đều bằng 1.

+ Hai mã trên hai mức khác nhau có thể trực giao nhau nếu như mã này không là nằm trên nhánh con của mã kia và

mã kia

- Qui tắc chọn mã

+ Không phải tất cả các mã trên cây mã đều trực giao nhau Để dễ dàng

và chính xác cho việc giải trải phổ nhận dạng kênh người dùng thì các

mã sử dụng cho các kênh khác nhau phải trực giao nhau Do đó, một trạm di động không được sử dụng đồng thời tất cả các mã mà phải có sự chọn lựa Nhưng một người sử dụng có thể dùng nhiều mã khác nhau cho các kênh khác nhau

+ Qui tắc chọn lựa như sau: Khi một mã trên cây mã được sử dụng thì

mã trên nhánh con của nó không được sử dụng cũng như các mã nằm trên đường từ mã đang sử dụng về đến gốc cây mã cũng không được sử dụng Nói cách khác, một mã trên cây mã được chọn sử dụng nếu như không có kênh vật lý nào đang sử dụng mã với hệ số trải phổ cao hơn hay thấp hơn trên cùng một đường về gốc cây mã

Sin(at) RX

Re{S ’ }

Im{S ’ }

C c.ch

- Các bước xử lý tín hiệu hướng thu

+ Giải điều chế (Demodulation): khôi phục lại tín hiệu số từ tín hiệu đã điều chế thu được + Giải ngẫu nhiên hóa (Descrambling): thực hiện việc giải mã ngẫu nhiên khôi phục dạng

tín hiệu thực như sau trải phổ, nhận dạng mã dài cho mỗi thuê bao.

+ Giải trải phổ (Despreading): nhận dạng các kênh của người sử dụng và đồng thời thực

hiện nén phổ tín hiệu, khôi phục phổ tín hiệu gốc ban đầu.

+ Tách (Puncturation): tách bỏ các bít được lặp lại ở hướng phát trả về chuỗi bít ban đầu + Giải ghép xen (Interleaver Decoder): sắp xếp các bít theo qui luật ngược lại khi thực hiện

ghép xen ở hướng phát

+ Giải mã mã xoắn (Convolutional Decoder): thực hiện việc sửa lỗi xảy ra bằng thuật toán

giải mã riêng.

+ Giải mã CRC (CRC Decoding): kiểm tra lại xem còn lỗi hay không sau khi đã thực hiện

sửa lỗi bằng mã xoắn.

+ Bộ giải mã nguồn (Source Decoding): thực hiện giải nén tín hiệu và khôi phục tín hiệu

thoại ban đầu bằng quá trình biến đổi tín hiệu số sang dạng tín hiệu tương tự đưa đến loa người dùng dạng âm thanh.

9 Hệ thống CDMA-2000

- Các giai đọan phát triển

CDMA 2000-1x  CDMA 2000-1xEV(CDMA 2000-1x Evolution): CDMA 2000-1xEV-DO (Data Only) và CDMA 2000-1xEV-DV (Data and Voive) Hiện nay CDMA 2000-1xEV đang ở trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm  CDMA 2000 – 3x

1.25 MHz 1.25 MHz 1.25 MHz

Guard Band

Guard

Band

5 MHz

Guard Band

Guard Band

CDMA2000-3x Forward Channel CDMA2000-3x Reverse Channel

CDMA2000-1x Forward Channel CDMA2000-1x Reverse Channel

IS-95 Forward Channel IS-95 Reverse Channel

- Cấu trúc chung của hệ thống CDMA-2000

+ PDSN/FA Packet Data Service Node +AAA Authentication Authorization Accounting

+ HA Home Agent

-Chức năng của PDSN

+ Thiết lập, duy trì và kết thúc các kết nối theo giao thức điểm – điểm (PPP) đến MS

+ Hỗ trợ cả hai dịch vụ gói IP đơn giản và di động

+ Thiết lập, duy trì và kết thúc các liên kết logic (các giao dịch

session) đến mạng RAN thông qua giao diện gói – vô tuyến (RP).+ Khởi động quá trình nhận thực, cấp phép và thanh toán

+ Nhận các thông số về dịch vụ dữ liệu lưu trữ trong hệ thống

+ Định tuyến các gói tin giữa mạng gói bên ngoài và MS

- Chức năng của Server AAA:

+ Nhận thực

+ Cấp phép

+ Tính cước cho các thuê bao sử dụng dịch vụ gói

- Chức năng của HA:

+ Nhận thực thuê bao di động đối với dịch vụ Mobile IP

+ Chuyển hướng các gói tin từ PDSN đến đúng vị trí của MS