Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA 2000

Ở lớp vật lý của hệ thống CDMA 2000 gồm đường xuống Forward Link va đường lênReverse Link để đảm bảo truyền nhận thông tin giữa trạm gốc và di động Sơ đồ đa truy nhập MC CDMA CDMA đa só

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Từ khi ra đời đến nay, mạng thông tin di động CDMA đã góp phần đáng kể trong việcthúc đẩy sự phát triển của thị trường thông tin di động trên thế giới Tuy nhiên sau hơn 10năm phát triển mạng thông tin di động thế hệ 2 này bắt đầu bộc lộ những hạn chế của nó

so với nhu cầu về dịch vụ tốc độ cao và băng thông rộng đang ngày một tăng

Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000 cho thôngtin di động thế hệ 3 IMT-2000 được chia thành các nhóm trên cơ sở TDMA và CDMA

Và CDMA2000 là một bộ phận của CDMA2000 trải phổ trực tiếp và CDMA đa sóngmang

CDMA là công nghệ mới và những kiến thức về nó là khá lớn đòi hỏi phải có nhiềuthời gian để nghiên cứu tìm hiểu Trong khoá luận này chỉ đề cập đến mô hình lớp vật lýcủa CDMA2000 Tập trung vào xử lí lớp vật lí,điều khiển tài nguyên vô tuyến, phân tập phát

Khoá luận này gồm 4 chương:

 Chương 1: Xử lí lớp vật lí trong hệ thống CDMA 2000 (Nguyễn Văn Dũng)

 Chương 2: Điều khiển tài nguyên vô tuyến. (Vũ Tiến Dũng)

 Chương 4: Kết luận và tài liệu tham khảo.

Nhóm đã nỗ lực để hoàn thành bài tiểu luận này tốt nhất , nhưng cũng không thể tránh khỏithiếu sót về nội dung , hạn chế về cách trình bày Nhóm rất mong nhận được sự đóng gópcủa thầy cùng các bạn để bài tiểu luận này được hoàn thiện hơn

Trân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1:XỬ LÍ LỚP VẬT LÝ

Hình 1 :Kiến trúc giao diện vô tuyến CDMA 2000.

I. GIỚI THIỆU LỚP VẬT LÝ

Chức năng của lớp vật lý là truyền đi và nhận về các bit thông tin ( được ấn định qua cáckhung ) qua môi trường vật lý Lớp vật lý có chức năng tạo mã dể có thể sửa lỗi , phát hiện bit vànhững mức khung ( khung lưu lượng , khung dò tìm, khung truy nhập, ) Ngoài việc tạo mã lớpvật lý phải chuyển đổi những sóng mang thông tin thành các bit tin tức ( điều chế ) và truyền đi

Ở lớp vật lý của hệ thống CDMA 2000 gồm đường xuống (Forward Link ) va đường lên(Reverse Link )để đảm bảo truyền nhận thông tin giữa trạm gốc và di động

Sơ đồ đa truy nhập MC CDMA (CDMA đa sóng mang)

Bảng 1: Các thông số kênh vật lý CDMA 2000

II. CÁC KĨ THUẬT LỚP VẬT LÝ CỦAHỆ THỐNG CDMA 2000.

1. MÃ HÓA KÊNH

1.1. MÃ HÓA CRC

Mã khối là mã phát hiện và hiệu chỉnh một số giới hạn lỗi mà không cần phát lại

Check) để tính kiểm tra dư vòng hay để chị thị chất lượng khung ở các khung bản tin Mãvòng là tập con của mã khối tuyến tính, bộ mã hoá được đặc trưng bằng bộ tạo mã cứ kbít thông tin vào thì bộ mã hoá cho ra một từ mã là n bít, trong đó n-k là các bít thông tinkiểm tra CRC được bổ xung vào k bit đầu vào bộ mã hoá này có tỉ lệ là Rc=k/n ở mã này

từ mã được rút ra từ hai đa thức: Là đa thức tạo mã g(D) bậc n-k và đa thức bản tin a(D)trong đó D là toán tử trễ Từ mã được tính toán như sau:

• Nhân đa thức bản tin a(D) với

• Tỉ lệ mã r=k/n

• Độ dài hữu hạn K (phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch tạo nên

bộ mã hoá)

Mỗi bộ mã xoắn gồm một thanh ghi dịch tạo thành từ các phần tử nhớ, các đầu ra củacác phần tử nhớ được cộng với nhau theo một quy luật nhất định để tạo nên các chuỗi mã,sau đó các chuỗi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuỗi mã đầu ra, các bộ mã xoắnđược sử dụng ở CDMA 2000.

 Bộ mã xoắn r=1/2,K=9, g0=[753], g1=[ 561]

 Bộ mã xoắn r=1/3, K=9, g0=[557], g1=[663], g2=[711] (1.2)

 Bộ mã xoắn r=1/4,K=9, g0=[765], g1=[671],g2=[513], g3=[473]

Bộ mã xoắn:

Hình 2 : Bộ mã hóa xoắn với tỷ lệ r=1/4 và k=9

Hình trên đây là sơ đồ bộ mã xoắn (4,1,8) tương ứng với tỉ lệ mã hoá là 1/4 và độ dàihạn chế là 9 Các kết nối từ tầng FF đến bộ cộng modul 2 tương ứng được xác định bằng

đa thức sinh Mỗi một bộ cộng có một đa thức sinh tương ứng Trong đa thức sinh các bit

‘0’ biểu thị không có kết nối, còn các bit ‘1’ biểu thị có kết nối

2. BỘ LẶP KÝ HIỆU

Bộ lặp có nhiệm vụ cân bằng tốc độ truyền như nhau cho các kênh lưu lượng có tốc độ bit khácnhau bằng cách cho phép tận dụng các khoảng trống và khoảng dừng trong cuộc đàm thoại để làmgiảm tốc độ dữ liệu vào từ 9600 bps còn 1200bps trong khoảng thời gian trống

Tốc độ dữ liệu vào bps

Tốc độ lặp Tốc độ kí hiệu ra bps

Đường xuống/ đường lênRate set 1

9600480024001200

Không lặpLặp 1 lần ( 2 kí hiệu)Lặp 3 lần (4 kí hiệu )Lặp 7 lần ( 8 kí hiệu)

19200/2880019200/2880019200/2880019200/28800Rate set 2

14400720036001800

Không lặpLặp 1 lần ( 2 kí hiệu)Lặp 3 lần (4 kí hiệu )Lặp 7 lần ( 8 kí hiệu)

28800/2880028800/2880028800/2880028800/28800

Bảng 2 : Bộ lặp ký hiệu

3. BỘ ĐAN XEN KHỐI

Bộ đan xen khối có chức năng làm rời rạc các chuỗi kí hiệu làm cho các chuỗi kí hiệu không liêntục với nhau Do đó khi truyền đi các kí hiệu sẽ đc cắt thành các cụm riêng biệt thì tại đầu thu từngcụm này sẽ đc sửa lỗi , vì vậy tín hiệu thu được sẽ có lỗi rất thấp

Input Data 1,2,3,4,….,60 Ouput Data 1,13,25,37,…48,60

Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác đinh theo mà trậnHadamard như sau :

63

W Đối với cấu hình còn lại của CDMA 2000 1x sử dụng các ma trận

Hadamard khác nhau để tạo ra các mã Walsh

WN i

trong đó N<128 và

2

N i

≤ ≤ −

, để nhận dạngcho các kênh đường lên và đường xuống

4.2. MÃ ĐỊNH KÊNH ĐƯỜNG XUỐNG

theo hệ số trải phổ SF và bằng tỷ số giữa tốc độ chip và tốc độ kí hiệu đưa lên trải phổ (

/

c s

R R

).Chẳng hạn một người sử dụng có thể được cấp phát đồng thời hai kênh đường xuống F-DCCH vs

F-SCH cấu hình RC2 với tốc độ ký hiệu đưa lên trải phổ

Bảng 3 :Các độ dài mã Walsh được sử dụng cho kênh đường xuống

Để không xảy ra nhiễu giữa các kênh cần đảm bảo mã Walsh được trực giao với nhau VìCDMA 2000 1x sử dụng các mã Walsh với độ dài khác nhau nên hệ thống cũng cần đảm bảo các

mã Walsh tích cực có độ dài khác nhau này trực giao với nhau

2) HÀM TỰA TRỰC GIAO (QOF)

QOF ( Quasi Orthogonal Funcion : hàm tựa trực giao) cho phép giải quyết vấn đề thiếu hụt

mã Để giải quyết vấn đề thiếu hụt mã Walsh được nhân với một hàm mặt nạ và tập mã mới nàyđược gọi là tập mã QOF Chẳng hạn nếu hệ thống có 256 mã Walsh gốc thì sử dụng quá trình trên

ta có 512 mã đinh kênh BTS sẽ sử dụng các mã Walsh này để đinh kênh cho đến khi hết mã Khinày tập QOF sẽ được chọn mã định kênh từ tập này, Nếu có thiếu hụt nó sẽ nhân mã Walsh gốc vớihàm mặt nạ khác CDMA 2000 1x định nghĩa 3 kiểu hàm mặt nạ khác nhau Mã QOF được sửdụng cho các kênh F-DCCH , F-FCH, F-SCH

4.3. MÃ ĐỊNH KÊNH ĐƯỜNG LÊN

Trong trường hợp này mã Walsh được sử dụng làm mã định và được quy định trong bảng sau :

Bảng 4: Các mã sử dụng cho đường lên cho R3 vs R4

CDMA 2000 1x sử dụng các mã khác nhau nhận dạng nguồn phát : BTS hay MS Các mã

này đều có tốc dộ chip là

2) MÃ PN DÀI (LONG PN CODE)

Mã PN dài là chuỗi mã có chu kỳlặp

42

2 −1 chip tạo ra trên cơ sở đa thức tạo mã sau

Trên đường xuống mã dài được sử dụng để nhận dạng người sử dụng Trên đường lên mã dài được

sử dụng để nhận dạng nguồn phát (MS)/ Trạng thái ban đầu của bộ tạo mã được quy định là trạngthái mà ở đó chuỗi đầu ra có bộ tạo mã là ‘1’ đi sau 41 số ‘0 ’ liên tiếp

3) MÃ PN NGẮN (SHORT PN CODE)

Các mã PN ngắn còn được gọi là các chuỗi PN hoa tiêu kênh I vs kênh Q được tạo bởi các

bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên xác định theo các đa thức sau :

là các bộ tọa mã cho chuỗi hoa tiêu kênh I và kênh Q tương ứng

Các chuỗi được tạo bởi các đa thức tạo mã nói trên có độ dài

15

2 − =1 32767

Đoạn 14 số 0 liêntiếp trong các chuỗi được bổ sung thêm một số 0 để được một dãy 15 số 0 và chuỗi này có độ dài

32768 Trên đường xuống mã ngắn ( với các dịch thời gian khác nhau được tạo ra từ mặt chắn)được sử dụng để nhận dạng BTS Trạng thái ban đầu của bộ tạo mã được quy định là trạng thái mà

ở đó chuỗi đầu ra của bộ tạo mà là ‘1’ đi sau 15 số ‘0’ liên tiếp Các mã ngắn liền kề được dich thời

64 chip vì thế có 512 mã nhận dạng BTS

5. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ TRẢI PHỔ

.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ

Hình 3: Bộ điều chế QPSK

Chuỗi dữ liệu ban đầu là d(t) = d0,d1,d2 ….gồm các xung lưỡng cực (là các giá trị củadi=± 1 tương ứng với giá trị nhị phân “0” hoặc “1” ) được đưa tới bộ chuyển đổi nối tiếpsang song song và chia thành hai dòng dữ liệu dI(t) và dQ(t) với:

Tín hiệu này có thể được viết như sau:

d t c t = θ t

(5.3)

2( ) ( ) 2.sin ( )

Hình 6: Sơ đồ khối giải trải phổ III. SƠ ĐỒ KÊNH VẬT LÝ

1. SƠ ĐỒ KÊNH VẬT LÝ ĐƯỜNG XUỐNG

Trong phần này ta sẽ xét kênh vật lý đường xuống cho CDMA 2000 1x :

Phần xử lí tín hiệu số trên hình 1 cho các kênh F-FCH và F-SCH ở cấu hình RC3.Phần trải phổ và điều chế ở hình 2

• PHẦN XỬ LÝ SỐ

Hình 7 :Phần xử lý số kênh vật lý đường xuống

Hình 8 : Phần trải phổ và điều chế kênh vật lý đường xuống

Phần trải phổ và điều chế thực hiện :

 Phân chia thành 2 luồng độc lấp (DEMUX)

 Trải phổ mã Walsh hoặc hàm trực giao QOF để đinh kênh ( trải phổ lần thứ nhất)

 Nhân phức hay ngẫu nhiên hóa với chuỗi hoa tiêu kênh I và kênh Q (

 Điều chế QPSK

2. SƠ ĐỒ KÊNH VẬT LÝ ĐƯỜNG LÊN

• PHẦN XỬ LÝ SỐ

Hình 9 : Phần xử lý số kênh vật lý đường lên

 Đan xen khối

 Điều chế trực giao cơ số 64 (cứ 6 ký hiều thì đc điều chế bằng một mã Walsh 64 chip có chỉ

số bằng gía trị thập phân của 6 ký hiệu này )

 Ngẫu nhiên hóa cụm số liệu để đảm bảo rằng mỗi ký hiệu được đưa vào bộ lặp chỉ đượcphát đúng một lần

• PHẦN TRẢI PHỔ VÀ ĐIỀU CHẾ

Hình 10 : Phần trải phổ và điều chế kênh vật lý đường lên

Phần trải phổ và điều chế thực hiện :

 Sau xử lý số luồng ký hiệu được đồng thời dưa lên nhánh I và nhánh Q

 Trải phổ nguồn kênh và nhận dạng nguồn phát bằng mã dài PN

 Luồng Q trễ ½ chip để hỗ trợ điều chế OQPSK/BPSK

 Sắp xêp cho điều chế QPSK/BPSK

 Điều chế BPSK riêng cho từng luồng I vs Q

CHƯƠNG 2 :ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN

2.1 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Ở các hệ thông thông tin di động cdma yêu cầu quan trọng đặt ra là tăng số lượng các cuộc gọi đồng thời trong cùng 1 tần số, và cũng tăng chất lượng các cuộc gọi đó Chất lượng của cuộc

gọi sẽ giảm nếu tín hiệu mà BS thu được từ MS là quá yếu, ngược lại nếu tín hiệu mà BS thu vào mạnh thì chất lượng cuộc gọi tốt Tuy nhiên, giao thoa giữa các cuộc gọi đồng thời với nhau trên cùng 1 kênh sẽ làm giảm chất lượng các cuộc gọi khác

Hình 11: Mô hình hệ thống di động cơ bản

Hiện tượng gần xa: Máy di động UE1 có khoảng cách đến BS gần hơn UE2 Khi BS nhận được tín hiệu cùng lúc từ UE1 và UE2 trên cùng 1 tần số , tín hiệu từ UE1 sẽ mạnh hơn UE2 Khi phân tích dữ liệu tại BS thì tỉ lện lỗi bit tang cao Tín hiệu mạnh có thể tràn, đề lên tín hiệu yếu gây khó khan cho BS có thể nhận ra tín hiệu yếu

 Để khắc phục vấn đề trên, BS sẽ tính toàn công suất tín hiệu từ các máy đi dộng Nếu vượt qua mức ngưỡng BS sẽ gửi lệnh đến máy di động yêu cầu giảm công suất, sao cho tín hiệu mà BS nhận được từ các máy di động mạnh ngang nhau Tương tự, nếu tín hiệu máy di động quá yếu, máy di động sẽ gửi yêu cầu để BS tang công suất đường truyền

2.1.1 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KÊNH ĐƯỜNG LÊN

Khi một máy di động station nhận đường truyền kênh hướng lên bắt đầu kết nối với BS, nó liên tục theo dõi chất lượng đường truyền Nếu đường truyền bắt đầu xấu đi, máy di động sẽ gởi yêu cầu đến BS, qua kênh hướng xuống BS cho phép tăng công suất Nếu chất lượng đường truyền trở nên quá tốt vượt quá công suất tín hiệu trên kênh hướng lên, máy di động

sẽ gởi yêu cầu BS giảm công suất Lý tưởng, FER là một chỉ số tốt để biểu hiện chất lượng đường truyền, nhưng sẽ tốn nhiều thời gian để cho máy di động thu nhận đủ các bit và tính toán ra FER Vì thế một số các tỉ lệ signal/noise như là Eb/No có thể được sử dụng như một thông số biểu hiện chất lượng đường truyền kênh hướng lên

• Máy di động liên tục theo dõi Eb/No trên kênh hướng lên.

• Nếu Eb/No quá lớn (vượt qua ngưỡng), máy di động sẽ yêu cầu BS giảm côngsuất truyền

• Nếu Eb/No quá nhỏ (nằm dưới ngưỡng), máy di động sẽ yêu cầu BS tăng

công suất truyền

Trên đây là mô tả điều khiển công suất vòng trong mạch vòng kín trên kênh hướng lên Tại đây, ta phải giả định một ngưỡng Eb/No cho trước để quyết định tăng hoặc giảm công suất Nhưng trong môi trường thay đổi, mối tương quan giữa Eb/No và FER là không đổi, vìvậy ta phải thay đổi ngưỡng Eb/No để duy trì một FER chấp nhận được Sự thay đổi ngưỡngEb/No sẽ được giới thiệu trong outner loop

Cụ thể: theo sơ đồ bên dưới, mô tả một phần của inner loop và toàn bộ outner loop Máy diđộng nhận đường truyền lên từ BS Đầu tiên, nó sẽ giải điều chế và ước lượng FER củađường truyền Thông tin về chất lượng đường truyền kênh hướng lên sẽ được cung cấp chooutner-loop Outner-loop dùng chỉ số FER này và tự nó ước lượng ra một chỉ số Eb/No(estimates) để tính toán ra một giá trị Eb/No (setpoint) mới cần thiết để duy trì FER Chỉ sốEb/No mới này và chỉ số Eb/No ước lượng được so sánh với nhau Nếu Eb/No ước lượnglớn hơn Eb/No setpoint, tương ứng với Eb/No (link) trên đường truyền lớn hơn cần thiết đểduy trì chỉ số FER tốt, một mã PCBs(1) được gởi đến BS yêu cầu giảm công suất Ngược lạinếu Eb/No ước lượng nhỏ hơn, tương ứng với Eb/No trên đường truyền nhỏ hơn mức cầnthiết, một mã PCBs(0) được gởi đi để tăng công suất Mã PCBs được gởi đến và xử lý tại

BS với tốc độ 800 b/s

Hình 12: Điều khiển công suất hướng lên

2.1.2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KÊNH ĐƯỜNG XUỐNG ( VÒNG MẠCH HỞ)

Khi máy di động di chuyển vòng quanh trong một tế bào hệ thống, sự tiêu hao đườngdẫn giữa máy di động và BS liên tục thay đổi Trong điều khiển công suất mạch vòng mở, máy di động liên tục giám sát công suất thu được và điều chỉnh công suất truyền sao cho phù hợp Lưu ý, điều khiển công suất mạch vòng hở chỉ có trên máy di động va không có trên BS

Trong chuẩn IS2000 có thể điều khiển công suất mạch vòng hở qua 3 loại kênh hướng xuống:

• R-CCCH.

• Kênh hướng xuống nói chung bao gồm cả R-DCCH, R-FCH, and R-SCH

Trên mỗi loại kênh hướng xuống, điều khiển công suất mạch vòng hở qua 2 bước riêng biệt.Đầu tiên máy di động sẽ tính công suất truyền kênh hoa tiêu (hoa tiêu chanel) của R-PICH, khâu này gần như luôn luôn hoặc động Bước thứ hai là tính công suất truyền kênh mã hoá (code chanel) của kênh hướng xuống

Ở đây ta chỉ đi mô tả điều khiển công suất trên kênh hướng xuống Trong quá trình truyền dẫn của kênh hướng xuống (R-DCCH, R-FCH, and R-SCH), R_PICH cũng vẫn hoạt động để tạo sự liên kết chặt chẽ, mạch lạc cho giải điều chế

2.1.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KÊNH ĐƯỜNG XUỐNG ( VÒNG KÍN)

Để điều khiển công suất vòng mạch khép kín trên kênh hướng xuống, BS liên tục theo dõi đường truyền xuống và tính toán chất lượng đường truyền Nếu chất lượng bắt đầu giảm, BS

sẽ gởi lệnh cho máy di động tăng công suất thông qua đường truyền kênh hướng lên Nếu chất lượng đường truyền quá tốt, BS sẽ gởi lệnh cho máy di động giảm công suất Đến đây thì ta thấy nó khá giống với cách điều khiển công suất trên kênh hướng lên Khác ở chỗ, điều khiển công suất vòng mạch khép kín trên kênh hướng xuống chỉ có ở BS Nó cũng sử dụng các thông số như Eb/No và FER để đánh giá chất lượng đường truyền Ta nên tìm hiểu

cụ thể trên mô hình để có sự phân biệt

• BS theo dõi chất lượng đường truyền bằng chỉ số Eb/No

• Nếu Eb/No quá lớn sẽ gởi lệnh cho máy di động tăng công suất

• Nếu Eb/No quá nhỏ sẽ gởi lệnh cho máy di động giảm công suất

Ban đầu BS nhận đường truyền kênh hướng về từ máy di động và giải điều chế tín hiệu, nó

tự ước lượng một chỉ số FER Thông tin về chất lượng đường truyền sẽ được đưa đếnoutnerloop Outner-loop dùng FER hiện có và tỉ số Eb/No do nó tự ước lượng để tính toán,đưa ra một Eb/No setpoint mới có thể duy trì ổn định FER Hai chỉ số Eb/No mới và cũ sẽđược so sánh Nếu Eb/No estimate lớn hơn Eb/No setpoint, có nghĩa là Eb/No trên đườngtruyền quá lớn để có thể duy trì chỉ số FER tốt, một mã PCB(1) sẽ được BS gởi đi ra lệnhcho máy di động tăng công suất Ngược lại, nếu Eb/No estimate nhỏ hơn Eb/No setpoint, BS

sẽ gởi một PCBs(0) ra lệnh cho má di động giảm công suất PCBs là một chuỗi trong CPCCH, F-DCCH, hoặc F-FCH PCBs được truyền và xử lý tại tốc độ cao nhất 800 b/s