Điều khiển công suất trong hệ thống MC - CDMA

Chương 1 CÔNG NGHỆ CDMA 1.1 Giới thiệu chương Công nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu để phát dữ liệu cùng một phổ tần. Tất cả công suất của tín hiệu trong đường truyền CDMA được đồng thời trên cùng một băng tần rộng, phát trên cùng một tần số và tín hiệu nguyên thuỷ sẽ được khôi phục tại đầu thu. Đồng thời tín hiệu trải phổ xuất hiện trải rộng đều trên toàn bộ băng tần với công suất phát thấp, do đó loại bỏ được nhiễu, giao thoa. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu khả năng đa truy nhập, phân tích ưu nhược điểm và điều khiển công xuất của quá trình thu phát tín hiệu trong hệ thống CDMA. 1.2 Tổng quan về CDMA CDMA được đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1995 với chuẩn IS-95. Ở thế hệ di động thứ 3 sẽ sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) thay vì công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) theo chuẩn IMT-2000. Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã (chuỗi trải phổ) dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin. Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được đồng bộ giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải biết được chuỗi mã đó để mã hoá tín hiệu. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp các người dùng không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số. Điều này dễ dàng thực hiện được vì tương quan chéo giữa mã của người dùng mong muốn và mã của các người dùng khác thấp. Băng thông của tín hiệu mã được chọn lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu mang thông tin; do đó, quá trình mã hoá sẽ làm trải rộng phổ của tín hiệu, kết quả cho ta tín hiệu trải phổ. Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng hằng trăm lần trước khi phát. Trải phổ không mang lại hiệu quả về mặt sử dụng băng thông đối với hệ thống đơn người dùng. Tuy nhiên nó có ưu điểm trong môi trường đa người dùng vì các người dùng này có thể dùng chung một băng tần trải phổ với can nhiễu lẫn nhau không đáng kể. Một kỹ thuật điều chế trải phổ phải thoã mãn 2 tiêu chuẩn: Băng thông của tín hiệu truyền phải lớn hơn băng thông của tín hiệu mang thông tin. Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Tỉ số băng thông truyền trên băng thông của tín hiệu thông tin được gọi là độ lợi xử lý của hệ thống trải phổ: Gp= (1.1) Với Bt : băng thông truyền; Bi : băng thông của tín hiệu mang thông tin Tín hiệu trải phổ cho băng thông rộng nên có những ưu điểm khác so với tín hiệu băng hẹp. Khả năng đa truy cập: nếu các người dùng phát tín hiệu trải phổ tại cùng một thời điểm, máy thu có khả năng phân biệt giữa các người dùng, do đó các mã trải phổ có các tương quan chéo thấp. Vì vậy, băng thông của tín hiệu công suất của người dùng mong muốn sẽ lớn hơn công suất gây ra bởi nhiễu và các tín hiệu trải phổ khác (nghĩa là lúc này tín hiệu của những người dùng khác vẫn là những tín hiệu trải phổ trên băng thông rộng). Bảo vệ chống nhiễu đa đường: trong kênh truyền vô tuyến không chỉ có một đường truyền giữa máy thu và máy phát. Vì tín hiệu bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ nên tín hiệu thu được tại đầu thu bao gồm các tín hiệu trên các đường khác nhau. Tín hiệu trên các đường khác nhau đều là bản sao của cùng một tín hiệu nhưng khác biên độ, pha, độ trễ và góc tới. Khi cộng tất cả các tín hiệu này lại sẽ tạo nên những tần số mới và cũng làm mất đi một số tần số mong muốn. Trong miền thời gian điều này làm phân tán tín hiệu. Điều chế trải phổ chống lại nhiễu đa đường, việc giải trải phổ sẽ coi phiên bản của trễ là tín hiệu nhiễu và giữ lại một phần nhỏ của tín hiệu này trong băng thông tín hiệu mong muốn, tuy nhiên nó phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế được sử dụng. Bảo mật: vì tín hiệu trải phổ sử dụng toàn băng thông tại mọi thời điểm nên nó có công suất rất thấp trên một đơn vị băng thông, và việc khôi chỉ được thực hiện khi biết được mã trải phổ. Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện tín hiệu đã trải phổ tức là tính bảo mật rất cao. Khử nhiễu băng hẹp: tách sóng đồng bộ tại máy thu liên quan tới việc nhân tín hiệu nhận được với chuỗi mã được tạo ra bên trong máy thu. Tuy nhiên như chúng ta thấy ở máy phát, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân nó với mã trãi phổ. Do đó, công suất của nhiễu này trong băng thông tín hiệu mong muốn giảm đi một lượng bằng độ lợi xử lý. 1.3 Mã trải phổ Mã dùng để trải phổ là một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên. Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu mà ta không thể dự đoán trước sự thay đổi của nó theo thời gian và để biểu diễn tín hiệu người ta dựa vào lý thuyết xác suất thống kê. Với tín hiệu giả ngẫu nhiên thì không hoàn toàn ngẫu nhiên. Có nghĩa, với thuê bao này nó không ngẫu nhiên, là tín hiệu có thể dự đoán trước cả phía phát và phía thu nhưng với các thuê bao khác thì nó là ngẫu nhiên. Nó hoàn toàn độc lập với tín hiệu, không phải là tín hiệu và có tính chất thống kê của một tín hiệu nhiễu trắng. Các mã trải phổ có thể là các mã giả tạp âm PN hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao. 1.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN Chuỗi PN là một chuỗi nhị phân có hàm tương quan giống như hàm tương quan của một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên qua một chu kỳ. Mặc dù quy luật biến đổi của các chuỗi này là hoàn toàn xác định nhưng chuỗi PN có nhiều đặc tính giống với chuỗi nhị phân ngẫu nhiên, chẳng hạn: số bit 0 và bit 1 gần bằng nhau, tương quan chéo giữa mã PN và phiên bản bị dịch theo theo thời gian của nó là rất nhỏ. Chuỗi PN được tạo ra bằng cách sử dụng các mạch logic tuần tự. Loại quan trọng nhất trong số các chuỗi PN là chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 có chiều dài cự đại hay còn gọi là chuỗi m. Một chuỗi m trong một chu kỳ là ‘-1/N’ đối với tương quan chéo và ‘1’ đối với tự tương quan. Hàm tự tương quan được định nghĩa như sau : (1.2) N 2N t -N -2N 1 R(t) -1/N Hình 1.1 Hàm tương quan của chuỗi PN Trong đó pn(k) là chuỗi m và pn(k- t) là phiên bản trễ theo thời gian của mã pn(k) một khoảng t. Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuông đặc biệt N×N gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng còn lại có số số 1 và số số 0 bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó j là một số nguyên dương. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau: (1.3) Trong đó là đảo cơ số hai của HN Trong thông tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao để trải phổ. Khi đó, hiệu suất sử dụng băng tần trong hệ thống sẽ lớn hơn so với khi trải phổ bằng các mã được tạo ra bởi các thanh ghi dịch. 1.4 Các kiểu trải phổ cơ bản Có 3 kiểu hệ thống trải phổ cơ bản: Trải phổ dãy trực tiếp DSSS: tạo tín hiệu băng rộng bằng cách điều chế dữ liệu đã được điều chế bởi sóng mang bằng tín hiệu băng rộng hoặc mã trải phổ. Tức là hệ thống DS_SS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên. Trải phổ nhảy tần FHSS: là sử dụng chuỗi mã để điều khiển tần số sóng mang của tín hiệu phát. Trong trường hợp này tín hiệu phát là tín hiệu đã được điều chế những sóng mang nhảy tần từ tần số này sang tần số khác trên một tập (lớn) các tần số; mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên. Trải phổ nhảy thời gian THSS: một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa một số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. 1.5 Chuyển giao Chuyển giao là thủ tục cần thiết đảm bảo thông tin được liên tục trong thời gian kết nối. Khi thuê bao chuyển động từ một cell này sang một cell khác thì kết nối với cell mới phải được thiết lập và kết nối với cell cũ phải được hủy bỏ. 1.5.1 Mục đích của chuyển giao Lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó UE hoặc UTRAN sẻ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó. Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công. Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần… Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượng hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định. Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hướng lên lẫn hướng xuống của đường truyền dẫn vô tuyến. Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó. Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẻ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp). Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao. Khi UE di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong UTRAN. Quyết định thực hiện chuyển giao thông thường được thực hiện bởi RNC đang phục vụ thuê bao đó, loại trừ trường hợp chuyển giao vì lý do lưu lượng. Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng được thực hiện bởi trung tâm chuyển mạch di động (MSC). 1.5.2 Các loại chuyển giao Tùy theo hình thức sử dụng trong các cơ chế chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao thành các nhóm như: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn. Chuyển giao đảm bảo thông tin được duy trì liên tục khi các MS di động từ cell này sang cell khác hay giữa các dải quạt trong cùng một cell. Chuyển giao phải đúng và nhanh để thông ti không bị ngắt quãng, không bị mất tín hiệu khi đang di chuyển. 1.5.2.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt“ . Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là chuyển giao được thực hiện giữa các cell khác nhau, trong đó trạm di động bắt đầu thông tin với một trạm gốc mới mà vẫn chưa cắt thông tin với trạm gốc cũ. Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới đều làm việc ở cùng một tần số. MS thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường). - Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao được thực hiện khi UE chuyển giao giữa 2 sector của cùng một cell hoặc chuyển giao giữa 2 cell do cùng một BTS quản lý. Đây là loại chuyển giao trong đó tín hiệu mới được thêm vào hoặc xóa khỏi tập tích cực, hoặc thay thế bởi tín hiệu mạnh hơn ở trong các sector khác nhau của cùng BTS. Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, BTS phát trong một sector nhưng thu từ nhiều sector khác nhau. Khi cả chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn được thực hiện đồng thời, trường hợp này gọi là chuyển giao mềm - mềm hơn. - Chuyển giao mềm - mềm hơn: MS thông tin với hai sector của cùng một cell và một sector của cell khác. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa cell A và B cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại cell B. 1.5.2.2 Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển kênh lưu lượng sang một kênh tần số mới. Các hệ thống thông tin di động tổ ong FDMA và TDMA đều chỉ sử dụng phương thức chuyển giao này. Chuyển giao cứng dựa trên nguyên tắc “cắt trước khi nối” (Break Before Make) có thể được chia thành: chuyển giao cứng cùng tần số và chuyển giao cứng khác tần số. Trong quá trình chuyển giao cứng, kết nối cũ được giải phóng trước khi thực hiện kết nối mới. Do vậy, tín hiệu bị ngắt trong khoảng thời gian chuyển giao. Tuy nhiên, thuê bao không có khả năng nhận biết được khoảng ngừng đó. Trong trường hợp chuyển giao cứng khác tần số, tần số sóng mang của kênh truy cập vô tuyến mới khác so với tần số sóng mang hiện tại. Nhược điểm của chuyển giao cứng là có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng của kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ đã bị cắt. 1.6 Điều khiển công suất trong CDMA Trong CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống. Về cơ bản, điều khiển công suất đường xuống có mục đích nhằm tối thiểu nhiễu đến các cell khác và bù nhiễu do các cell khác gây ra cũng như nhằm đạt được mức SNR yêu cầu. Tuy nhiên, điều khiển công suất cho đường xuống không thực sự cần thiết như điều khiển công suất cho đường lên. Hệ thống CDMA sử dụng công suất đường xuống nhằm cải thiện tính năng hệ thống bằng cách kiểm soát nhiễu từ các cell khác. Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn. Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên nhằm khắc phục hiệu ứng xa-gần bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy di động trong cell như nhau tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS. Do vậy việc điều khiển công suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh công suất truyền dẫn của máy di động. Hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất khác nhau Điều khiển công suất vòng hở (OLPC). Điều khiển công suất (nhanh) vòng kín (CLPC). Điều khiển công suất vòng trong. Điều khiển công suất vòng ngoài. Điều khiển công suất (nhanh) vòng trong Điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng hở RNC BTS UE Hình 1.2 Các cơ chế điều khiển công suất của CDMA 1.6.1. Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) Một phương pháp điều khiển công suất là đo sự điều khuếch (AGC-Automatic Gain Control) ở máy thu di động. Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc. Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng. Trạm di động điều chỉnh công suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được. Có thể phải điều chỉnh công suất ở một dải động lên tới 80 dB. Phương pháp này được gọi là điều chỉnh công suất vòng hở, ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất. OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường lên. Trong quá trình điều khiển công suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo đạc mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS ở đường xuống. Sau đó, UE điều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức công suất tín hiệu hoa tiêu thu được. Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức công suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ. Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suất phát ban đầu (khi khởi tạo kết nối). BTS UE Ước tính cường độ hoa tiêu P_trx = 1/cường độ hoa tiêu Hình 1.3 OLPC đường lên 1.6.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập. Mục đích chính là để bù những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến. Do đó, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến. Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát. Quyết định tăng hoặc giảm công suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BTS. Khi BTS thu tín hiệu từ UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với một mức ngưỡng cho trước. Nếu mức tín hiệu thu được vượt quá mức ngưỡng cho phép, BTS sẻ gửi lệnh điều khiển công suất phát (TPC) tới UE để giảm mức công suất phát của UE. Nếu mức tín hiệu thu được nhỏ hơn mức ngưỡng, BTS sẻ gửi lệnh điều khiển đến UE để tăng mức công suất phát. BTS UE UE Lệnh TPC Lệnh TPC Quyết định điều khiển công suất Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC TPC: Transmit Power Control: Điều khiển công suất truyền dẫn. Hình 1.4 Cơ chế điều khiển công suất CLPC Các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu nhằm thực hiện quyết định điều khiển công suất như: SIR, tỷ lệ lỗi khung-FER, tỷ lệ lỗi bit BER. Cơ chế CLPC nói trên là cơ chế điều khiển công suất vòng trong và đó cơ chế điều khiển công suất nhanh nhất trong hệ thống CDMA. 1.7 Kết luận chương Một mô hình CDMA được trình bày ngắn gọn trong chương này nhằm nắm bắt được những lý thuyết cơ bản về hệ thống CDMA. Để ứng dụng cho việc truyền dữ liệu đi được kiểm soát cũng như được bảo mật thì công việc trải phổ lại là rất quan trọng. Do hệ thống MC-CDMA tổng hợp từ các kỹ thuật OFDM và CDMA nên ở chương tiếp theo chúng ta sẽ bàn về kỹ thuật OFDM.