Đồ án Tổng quan về công nghệ WCDMA và hướng phát triển từ GSM lên WCDMA

t nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. WCDMA có các tính năng cơ bản sau : - Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz. - Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1. - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm nối điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác… Ưu điểm của công nghệ WCDMA so với GSM: - Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến. - Có khả năng truyền tải đa phương tiện. - Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps. - Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn. - Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN. - Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với GSM. - CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin. - Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM. 4.2 Cấu trúc hệ thống WCDMA Hệ thống WCDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng WCDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của WCDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong WCDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính toàn cầu trên PLMN, ISDN Internet Các mạng ngoài MSC/VLR GMSC GGSN SGSN HLR CN RNC Node B Node B RNC Node B Node B IUb IUr UTRAN IU USIM USIM CU UE UU Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống WCDMA cơ sở công nghệ GSM. * Mạng lõi CN (Core Network) - HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. - MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ. - GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài. - SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS). - GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói. * UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) UE Iu CS Iu PS CN UTRAN RNS Iur Node B Node B RNC Node B Node B RNC SGSN MSC/ VLR Cu USIM ME Iub RNS Uu Hình 4.2: Cấu trúc UTRAN - Node B: Tương đương với BTS. Nhiệm vụ kết nối trực tiếp giao diện vô tuyến được xử lý ở Node B. Đầu vào đến từ RNC. Node B có thể quản lý một hoặc một vài cell, Node B gồm một bộ thu CDMA để chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành dòng dữ liệu và sau đó hướng nó tới RNC trên giao diện Iub. Trong hướng ngược lại, bộ phát CDMA chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho vận chuyển trên giao diện vô tuyến và định tuyến nó tới bộ khuyếch đại năng lượng. Có 3 loại Node B tương đương với 2 chế độ UTRA: UTRA-FDD Node B, UTRA-TDD Node B và Dual-mode Node B Hiện nay, Node B liên kết tới RNC là qua liên kết ATM. Khoảng cách lớn có thể giữa Node B và RNC và khoảng thời gian xử lý, nhiệm vụ thời gian then chốt không được chứa trong RNC: điều này bao gồm điều điều khiển năng lượng vòng lặp trong (ILPC – Inner Loop Power Control) trong mạng CDMA để tất cả người dùng cùng nhận một cường độ tín hiệu. RNC phải có một bức tranh chính xác tình huống hiện tại có thể trong cell để đưa ra quyết đinh chuyển giao, điều khiển năng lượng và điều khiển thừa nhận cuộc gọi. Vì vậy, MS và Node B thực hiện đo chất lượng kết nối và mức nhiễu và phát kết quả tới RNC. Trong trường hợp đặc biệt của chuyển giao mềm, tách hoặc kết hợp những chuỗi dữ liệu của nhiều sector khác nhau cũng được xử lý trong Node B - RNC ( Radio Network Controller) là một thiết bị mạng trong PLMN với chức năng điều khiển một vài Node B. RNC giống như BSC và đảm đương chức năng quản lý tài nguyên trong tất cả cell gắn tới nó ( cấp phát kênh, handover, điều khiển năng lượng). Một số lượng lớn giao thức giữa UE và UTRAN được triển khai trong RNC. Chức năng chính của RNC là quản lý kênh vô tuyến và kênh terrestrial ( hướng về MGW và SGSN). Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến gồm: _ Điều khiển thừa nhận cuộc gọi: Kỹ thuật phát CDMA cung cấp một số lượng lớn kênh ở giao diện vô tuyến. RNC phải tính toán tải lưu lượng hiện tại trong mỗi cell riêng biệt. Thông tin cơ bản, CAC (Call Admission Control) xác định mức nhiễu sau khi kênh yêu cầu đang sử dụng là chấp nhận, nếu cần thiết, loại bỏ kênh _ Quản lý tài nguyên vô tuyến: RNC quản lý tài nguyên vô tuyến trong tất cả những cell được gắn trong nó. Thêm vào đó là lập kế hoạch sử dụng kênh, công việc gồm tính toán nhiễu và mức tận dụng và điều khiển ưu tiên. _ Thiết lập và giải phóng radio bearer: Radio bearer là kênh dữ liệu người dùng trong tầng truy cập trên phân lớp RLC. RNC chịu trách nhiệm thiết lập, duy trì và giải phóng bearer theo yêu cầu _ Cấp phát mã: Mã CDMA trong UMTS được quản lý bởi cây mã. RNC cấp phát một phần mã trong cây mã tới MS và có thể thay đổi cấp phát trong suốt tiến trình kết nối _ Điều khiển năng lượng: Hoạt động hiệu quả của mạng CDMA đó là năng lượng phát của tất cả user bị điều khiển. Quy trình điều khiển nhanh thực tế được đặt trong Node B nhưng giá trị điều khiển đích được ấn định ở RNC. Dựa vào giá trị nhiễu đo được, thông tin từ các cell khác và trong một vài trường hợp thì dựa vào RNC boundaries _ Lịch trình gói: Bằng cách phát dữ liệu chuyển mạch gói, nhiều MS cùng chia sẻ tài nguyên ở giao diện vô tuyến. RNC có chức năng cấp phát dung lượng phát tới nhiều trạm riêng biệt. _ Handover (chuyển giao): Dựa vào giá trị đo lường từ Node B và UE, RNC phát hiện cell khác tốt hơn phù hợp cho kết nối hiện tại. RNC quyết định handover, chịu trách nhiệm báo hiệu với cell mới và thông tin cho MS kênh mới. _ Xây dựng lại SRNS: Có thể MS sẽ di chuyển ra ngoài vùng quản lý bởi RNC. Trong trường hợp này, RNC khác phải thừa nhận điều khiển kết nối _ Viết lại mật mã: Dữ liệu tới từ mạng cố định để phát trên giao diện vô tuyến phải được viết lại mật mã trong RNC. _ Chuyển đổi giao thức: RNC phải xử lý thông tin giữa CN, RNC hàng xóm và Node B được kết nối. _ Chuyển mạch ATM: Đường thông tin giữa những Node B và RNC, giữa những RNC và giữa RNC và CN là dựa vào định tuyến ATM. RNC có thể phải chuyển mạch và kết nối tới kết nối ATM để cho phép thông tin giữa những node khác nhau. _ O & M: chứa đựng những chức năng hành chính phức tạp trong quản lý mạng. Dữ liệu có sẵn phải được phát trên giao diện được định nghĩa tới OMC (Operation and Maintenance Centre) -Thiết bị user (UE): có thể hỗ trợ một hoặc nhiều chuẩn vô tuyến và chứa USIM. Nó đồng thời là bản sao tới Node B, RNC và CN Giống như Node B, UE xử lý tín hiệu vô tuyến. Nhiệm vụ tính toán chuyên sâu gồm sửa lỗi, trải phổ và điều chế tín hiệu tiếp tục là khuyếch đại năng lượng. Giống với RNC, MS tham gia vào báo hiệu cho việc thiết lập kết nối và giải phóng còn thêm thực hiện chuyển giao. Để thực hiện được mục đích này, nó đo cường độ môi trường nhận được từ những cell hàng xóm và phát giá trị đo được tới RNC. Việc mật mã và giải mật mã thông tin cũng xảy ra với RNC trong UE Module nhận dạng thuê bao (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. 4.3 Giao diện mới trong WCDMA 4.3.1 Giao diện Iu giữa UTRAN – CN Iu là giao diện mở chia hệ thống thành UTRAN và CN, xử lý chuyển mạch, định tuyến và điều khiển dịch vụ. Iu có 3 trường hợp khác nhau: Iu CS là để kết nối UTRAN tới CS CN; Iu PS là để kết nối UTRAN tới PS CN; Iu Broadcast (Iu BC) được dùng để hỗ trợ dịch vụ quảng bá cell 4.3.2 Giao diện Iu CS Hình 4.3: Cấu trúc giao thức Iu CS Lớp vật lý là giao diện với môi trường vật lý: Cáp quang, liên kết vô tuyến hoặc cáp đồng. Triển khai lớp vật lý có thể được chọn từ nhiều kỹ thuật phát chuẩn như SONET, STM1, hoặc E1 Cụm giao thức Control Plane gồm RANAP, đỉnh của giao thức SS7 băng rộng. Lớp phù hợp là:SCCP, MTP3-B và lớp thích hợp báo hiệu ATM (SAAL) cho giao diện mạng - mạng (SAAL-NNI gồm SSCF, SSCOP, AAL5). Lớp SSCF và SSCOP được thiết kế để vận chuyển báo hiệu trong mạng ATM, quản lý kết nối báo hiệu. AAL5 giúp phân đoạn dữ liệu tới những cell ATM Cụm giao thức Transport Network Control Plane bao gồm giao thức báo hiệu để thiết lập kết nối AAL2 (Q.2630.1 và lớp thích hợp Q.2150.1), trên cùng là giao thức SS7 băng rộng Cụm User Plane: Kết nối AAL2 được dành cho mỗi dịch vụ CS riêng 4.3.3 Giao diện Iu PS Hình 4.4: Cấu trúc giao thức Iu PS Cụm Control Plane gồm RANAP, và vật mang báo hiệu SS7, vật mang báo hiệu IP (gồm M3UA (có SS7), SCTP, IP, và AAL5). SCTP có chức năng vận chuyển báo hiệu trong internet. Transport Network Control Plane không hiệu quả với Iu PS, việc đưa ra tunnel GTP chỉ cần một bộ nhận dạng tunnel và địa chỉ IP cho cả 2 hướng, và chúng được gộp vào bản tin phân định RANAP RAB. Iu CS cũng sử dụng những thành phần tin tức này để đánh địa chỉ và nhận dạng báo hiệu AAL2 được dùng cho dữ liệu user plane. User Plane, nhiều dòng dữ liệu gói được ghép trên một hoặc một vài kết nối ảo AAL5. Phần User Plane của giao thức tunnelling GPRS là cung cấp nhiều nhận dạng cho luồng dữ liệu gói riêng. Mỗi luồng sử dụng vận chuyển không kết nối UDP và địa chỉ IP 4.3.4 Giao diện Iu BC Giao diện này kết nối RNC với miền quảng bá của CN, có tên là trung tâm quảng bá cell. Được dùng để định nghĩa thông tin quảng bá cell được phát tới người dùng di động qua dịch vụ quảng bá cell Service Area Broadcast Protocol (SABP) cung cấp sức chứa cho trung tâm quảng bá cell trong CN để định nghĩa, sửa đổi và xoá bản tin quảng bá cell từ RNC. SABP có những chức năng sau: _ Xử lý bản tin: quảng bá bản tin mới, cải tạo những bản tin quảng bá đang tồn tại và dừng quảng bá bản tin cụ thể _ Xử lý tải: Xác định tải của kênh quảng bá ở bất kỳ một điểm cụ thể trong thời gian cuối cùng _ Reset: Cho phép trung tâm quảng bá cell kết thúc quảng bá trong một hoặc nhiều vùng dịch vụ hơn 4.3.5 Giao diện Iur giữa RNC – RNC Hình 4.5: Nhóm giao thức của giao diện Iur. Giao diện này được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao mềm trong inter-RNC, nhiều đặc điểm được thêm vào trong suốt quá trình phát chuẩn, hiện tại, giao diện Iur cung cấp những chức năng riêng biệt là: _ Hỗ trợ sự di động inter-RNC cơ sở _ Hỗ trợ lưu lượng kênh chuyên dụng (dedicated) _ Hỗ trợ lưu lượng kênh chung (common) _ Hỗ trợ quản lý toàn bộ tài nguyên. Vì lý do trên, giao thức báo hiệu Iur (RNSAP) được chia thành 4 module. Nói chung, nó chỉ có thể triển khai một trong 4 module giữa 2 RNC, tuỳ theo sự cần thiết của nhà vận hành. * Iur1: Hỗ trợ tính lưu động inter-RNC cơ sở. Chức năng này yêu cầu module cơ bản của báo hiệu RNSAP. Viên gạch đầu tiên này dành cho việc xây dựng giao diện Iur chức năng cần thiết cho sự di động của user giữa 2 RNC, nhưng không hỗ trợ việc trao đổi lưu lượng dữ liệu user. Những chức năng đưa ra bởi module cơ sở gồm: _ Hỗ trợ xây dựng lại SRNC _ Hỗ trợ cell bên trong RNC và update vùng đăng ký UTRAN _ Hỗ trợ đánh số gói trong RNC _ Thông báo lỗi giao thưc * Iur2: Hỗ trợ lưu lượng kênh chuyên dụng.Chức năng này yêu cầu module kênh chuyên dụng của báo hiệu RNSAP và cho phép lưu lượng kênh chuyên dụng và kênh chia sẻ giữa 2 RNCs. Đầu tiên là hỗ trợ trạng thái chuyển giao mềm inter-RNC, cho phép việc móc nối của SRNC. Giao thức khung cho kênh chuyên dụng, trong DCH FP ngắn, định nghĩa cấu trúc khung dữ liệu là mang dữ liệu người dùng và khung điều khiển dùng để trao đổi thông tin đo lường và điều khiển. Vì thế, giao thức này cũng định rõ những bản tin đơn và những thủ tục. Khung dữ liệu người dùng được định tuyến xuyên qua DRNC. Những chức năng được đưa ra bởi module Iur DCH là: _ Thiết lập, sửa đổi và giải phóng kênh chuyên dụng và chia sẻ trong DRNC vì những chuyển giao trong trạng thái kênh chuyên dụng _ Thiết lập và giải phóng những kết nối vận chuyển chuyên dụng ngang qua giao diện Iur _ Dịch chuyển những khổi vận chuyển DCH giữa SRNC và DRNC _ Quản lý liên kết vô tuyến trong DRNS, qua thủ tục thông báo đo lường chuyên dụng, thủ tục điều chỉnh năng lượng và thủ tục điều khiển chế độ nén * Iur 3: Hỗ trợ lưu lượng kênh chung.Chức năng này cho phép xử lý chuỗi dữ liệu kênh chung (ví dụ. RACH, FACH và CPCH) ngang qua giao diện Iur. Nó yêu cầu module kênh vận chuyển chung của giao thức RNSAP và giao thức khung kênh vận chuyển chung (CCH FP). Chức năng của module kênh vận chuyển chung là: _ Thiết lập và giải phóng kết nối vận chuyển ngang qua Iur đối với dòng data kênh chung _ Sự phân chia lớp MAC giữa SRNC (MAC-d) và DRNC (MAC-c). Việc lập chương trình đối với phát data hướng downlink được thực hiện ở DRNC _ Điều khiển luồng giữa MAC-d và MAC-c * Iur 4: Hỗ trợ quản lý toàn bộ tài nguyên.Chức năng này cung cấp báo hiệu để hỗ trợ quản lý tài nguyên vô tuyến được tăng lên và đặc điểm O&M ngang qua giao diện Iur. Chức năng của module quản lý toàn bộ tài nguyên Iur là: _ Dịch chuyển thông tin cell và đo lường giữa 2 RNC _ Dịch chuyển những tham số định vị giữa bộ điều khiển _ Dịch chuyển thông tin đồng bộ hoá giữa 2 RNC 4.3.6 Giao diện Iub giữa RNC – Node B Hình 4.6 : Nhóm giao thức của giao diện Iub Giống giao thức giao diện Iur, khác biệt chính là trong mạng vô tuyến và Plane điều khiển mạng vận chuyển, báo hiệu SS7 được đặt ở SAAL-UNI. Cấu trúc của giao diện, cần thiết phải giới thiệu mô hình logic của Node B. Nó bao gồm cổng điều khiển chung (liên kết báo hiệu chung) và những điểm cuối lưu lượng, mỗi cái bị điểu khiển bởi cổng điều khiển chuyên dụng (liên kết báo hiệu chuyên dụng). Một điểm cuối lưu lượng điều khiển một số máy di động có những tài nguyên chuyên dụng trong Node B, và lưu lượng tương ứng được chở xuyên qua cổng dữ liệu chuyên dụng. Những cổng dữ liệu chung ở bên ngoài những điểm cuối lưu lượng, được sử dụng để chở RACH, FACH và lưu lượng PCH. Hình 4.7: Mô hình logic của Node B đối với FDD *Chú ý: một điểm cuối lưu lượng có thể điều khiển nhiều hơn một cell, và một cell có thể bị điều khiển nhiều hơn một điểm cuối lưu lượng. Báo hiệu giao diện Iub (NBAP) được chia thành 2 thành phần: NBAP chung (C- NBAP), cái này định nghĩa thủ tục báo hiệu ngang qua liên kết báo hiệu chung, và NBAP chuyên dụng (D-NBAP), được dùng trong liên kết báo hiệu chuyên dụng Nhóm giao thức User Plane định nghĩa cấu trúc những khung và thủ tục điều khiển trong băng cho mọi loại kênh vận chuyển. Báo hiệu Q.2630.1 được dùng cho quản lý động kết nối AAL2 trong User Plane. 4.4 Các giải pháp kỹ thuật trong WCDMA 4.4.1 Mã hóa 4.4.1.1 Mã vòng — Sơ đồ mạch mã hóa vòng : G1 G1 G1 G1 b1 b1 b1 b1 * + + + b0 b0 b0 b0 * + + + b2 b2 b2 b2 * + + + G2 G2 G2 G2 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 Gn-k-1 * + + + bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 bn-k-1 Thông tin xn-k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Thông tin xn+k.u(x) Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ Các số kiểm tra chẵn lẻ *+ + + + Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Một khâu của thanh ghi dịch Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Cổng XOR Mối liên kết G = 1 : Có liên kết G = 0 : Không liên kết G g g g Hình 4.8: Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g1x + g2x2 + ...+ gn-k-1xn-k-1 + xn-k Cổng Cổng Cổng Cổng Nguyên lý hoạt động : _ Bước 1 : Cổng đóng cho thông tin qua mạch, k chữ số thông tin u0, u1,...,un-k được dịch vào mạch từ thiết bị đầu cuối để nhân trước u(x) với xn-k. Ngay sau khi thông tin được đưa vào mạch thì n-k chữ số còn lại trong thanh ghi là những con số kiểm tra chẵn lẻ. _ Bước 2 : Cắt đứt đường hồi tiếp bằng cách điều khiển cho các cổng gi hở (không cho thông tin qua). _ Bước 3 : Dịch các con số kiểm tra chẵn lẻ và đưa ra đường truyền. Các chữ số kiểm tra này kết hợp với k chữ số thông tin tạo thành vector mã. Mã khối là bộ mã hóa chia dòng thông tin thành những khối tin (message) có k bit. Mỗi tin được biểu diễn bằng một khối k thành phần nhị phân u = (u1,u2,..,un), u được gọi là vector thông tin. Có tổng cộng 2k vector thông tin khác nhau. Bộ mã hóa sẽ chuyển vector thông tin u thành một bộ n thành phần v = (v1,v2,...,vn) được gọi là từ mã. Như vậy ứng với 2k vector thông tin sẽ có 2k từ mã khác nhau. Tập hợp 2k từ mã có chiều dài n được gọi là một mã khối (n,k). Tỉ số R = k/n được gọi là tỉ số mã, R chính là số bit thông tin đưa vào bộ giải mã trên số bit được truyền. Do n bit ra chỉ phụ thuộc vào k bit thông tin vào, bộ giải mã không cần nhớ và có thể được thực hiện bằng mạch logic tổ hợp. Mã vòng là một tập con của mã khối tuyến tính Mã vòng là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC – Cyclic Redundance Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin. Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước : (1). Nhân đa thức thông tin u(x) với xn-k. (2). Chia xn-k.u(x) cho đa thức sinh g(x), ta được phần dư b(x). (3). Hình thành từ mã b(x) + xn-k Tất cả ba bước này được thực hiện bằng mạch chia với thanh ghi dịch (n-k) tầng có hàm hồi tiếp tương ứng với đa thức sinh g(x). 4.4.1.2 Mã xoắn Mã xoắn (Convolutional Code) (n,k,m) cũng có n đầu ra, k đầu vào như mã khối (n,k) nhưng n đầu ra của mã xoắn phụ thuộc không chỉ vào k đầu vào tại thời gian đó mà còn phụ thuộc vào m khối bản tin trước đó. Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy. Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ, các đầu ra của các phần tử nhớ được cộng với nhau theo quy luật nhất định để tạo nên chuổi mã, sau đó các chuổi này được ghép xen với nhau để tạo nên chuổi mã đầu ra. 4.4.1.3 Mã Turbo Mã hóa Turbo chỉ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba khi hoạt động ở tốc độ bit cao với yêu cầu tỉ số lỗi bit BER nằm trong khoảng 10-3 đến 10-6. Bộ mã hóa turbo thực chất là bộ mã xoắn móc nối song song PCCC (Parallel Concatenated Convolutional Code) với các bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái được sử dụng. 4.4.2 Điều chế BIT/SK và QPSK 4.4.2.1 Điều chế BIT/SK Trong một hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK – Binary Phase Shift Keying) cặp tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân. Ta có (4.1) Trong đó : Tb : Độ rộng băng thông. Eb : Năng lượng của một bit. : Góc pha thay đổi theo tín hiệu điều chế, là góc pha ban đầu. Một cặp sóng sin đối pha 1800 như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực. Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK Luồng số cơ hai Rb = 1/Tb Si(t) NRZ Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ (0®1, 1®-1), sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BIT/SK. Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn: (4.2) Ta có : (4.3) Khoảng cách giữa hai tín hiệu : 0 Hình 4.10 – Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK Xác suất lỗi trong BPSK : (4.4) Với : Eb là năng lượng của bit . N0 mật độ xác suất nhiễu trắng. 4.4.2.2 Điều chế QPSK Tín hiệu điều chế QPSK có dạng: (4.5) Trong đó Eb : Năng lượng một bit. Tb : Thời gian một bit. E = 2Eb : Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu. T = 2Tb : Thời gian của một ký hiệu. fc : Tần số sóng mang, : góc pha ban đầu. i = 1, 2, 3, 4. Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau : (4.6) Nếu ta chọn Q1và Q2 là các hàm năng lượng cơ sở trực giao chuẩn (4.7) Ta có thể biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bằng bốn điểm trong không gian tín hiệu với các toạ độ xác định như sau : (4.8) Xác suất lỗi trong QPSK: Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau. Tuy nhiên, với QPSK thì hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK. Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb. 4.5 Kỹ thuật trải phổ trong WCDMA : 4.5.1 Các hệ thống thông tin trải phổ: Trong WCDMA 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 CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Trong các hệ thống thông tin thông thường độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. W R Tần số Tín hiệu băng hẹp chưa trải phổ Tín hiệu băng rộng đã được trải phổ Mật độ công suất W/Hz Hình 4.11 Tín hiệu trải phổ. Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. * Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu: _ Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin. _ Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản: _ Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum). _ Trải phổ kiểu nhảy tần (FH/SS: Frequency Hopping Spreading Spectrum). _ Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum). Ngoài ra cũng có thể tổng hợp các hệ thống trên thành hệ thống lai ghép. Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Trong hệ thống DS/SS 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 mong muốn bằng cách nén phổ. Trong các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy, FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình. Trong WCDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Vì vậy, trong phần này ta chỉ xét đến kỹ thuật trải phổ DS/SS. 4.5.2 Các hệ thống DS/SS-BPSK: 4.5.2.1 Máy phát DS/SS - BPSK: Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận các giá trị ±1 như sau: b(t)= (4.9) trong đó: bk = ±1 là bit số liệu thứ k với + tương ứng với bit “0” và – tương ứng với bit “1”; T là độ rộng xung (độ rộng của một bit số liệu). Tốc độ số liệu là R = 1/T bit/s. Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được b(t)c(t) sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS-BPSK xác định theo công thức sau: s(t)=Ab(t)c(t)cos(2πfct + θ) (4.10) trong đó: A là biên độ; fc là tần số sóng mang; θ là pha của sóng mang. Trong rất nhiều ứng dụng một bit bản tin bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là T = NTc. Trong trường hợp hình 4.13 ta sử dụng N = 7. Ta có thể thấy rằng tích của b(t)c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ ±1, có cùng tần số với tín hiệu PN. Bộ điều chế (BPSK) Bản tin cơ số hai b(t) b(t)c(t) Tín hiệu PN cơ số hai c(t) Sóng mang Tín hiệu DS/SS-BPSK s(t)=Ab(t)c(t)cos(2πfct + θ) Acos(2πfct + θ) Hình 4.12 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK. t t t t 2NTc NTc Tc 2NTc NTc Tc 2NTc NTc Tc 3T 2T T 0 A -A s(t) -1 1 b(t)c(t) -1 c(t) 1 b(t) -1 1 Một chu kỳ Giả thiết là N=7; T= NTc Ở hình này sóng mang có θ = -π/2 và fc=1/Tc Hình 4.13 Các dạng sóng ở hệ thống DS/SS-BPSK. 4.5.2.2 Máy thu DS/SS - BPSK: Mục đích của máy thu này là lấy ra bản tin b(t) (số liệu {bi}) từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm.