ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ THỐNG WCDMA

ỨNG DỤNG ĂNTEN THÔNG MINH TẠI MÁY CẦM TAY TRONG HỆ
THỐNG WCDMA
Chương này sẽ trình bày ứng dụng của ănten thông minh tại máy cầm tay trong hệ
thống 3G WCDMA, cũng như cấu trúc của bộ thu theo các lược đồ khác nhau. Đồng thời,
chương cũng giới thiệu các mô hình kênh vô tuyến liên quan.
3.1 Ănten thông minh tại máy cầm tay
Do tính phức tạp của hệ thống cao và tiêu thụ công suất lớn, nên cho đến nay kỹ thuật
ănten chủ yếu được xét λ trạm gốc. Tuy nhiên gần đây ănten đã và đang được áp dụng cho
các đầu cuối di động.
Hệ thống tốc độ dữ liệu cao (HDR) (được sử dụng trong IS-856 và được gọi là 1xEV
DO) được QUALCOM phát triển sử dụng ănten kép tại trạm di động. Mỗi một tín hiệu
ănten được đưa đến các bộ thu Rake của nó để kết hợp các tín hiệu từ các đường truyền
khác nhau như thấy trong hình 3.1. Khi đó, kết hợp phân tập tỷ lệ lớn nhất được sử dụng để
kết hợp hai tín hiệu của bộ thu Rake. Lưu lượng trung bình cho người sử dụng cố định
outdoor khoảng 750 kbps với một ănten và 1.05 Mbps với ănten kép. Lưu lượng trung bình
cho người sử dụng di động khoảng 500 kbps với một ănten và khoảng 900 kbps với ănten
kép.
Hình 3.1: Hệ thống ănten kép cho HDR
Hệ thống ănten kép cho các máy cầm tay cũng được áp dụng cho hệ thống điện thoại
không dây số của Châu Âu (DECT) đối với kênh vô tuyến indoor. Hình 3.2 biễu diễn sơ đồ
khối của hệ thống. Bộ thu của máy cầm tay ănten kép lựa chọn một trong hai tín hiệu của
bộ thu dựa trên SINR. Mỗi một bộ thu xử lý một tín hiệu là kết quả của sự kết hợp cân
bằng của tín hiệu đến từ ănten và tín hiệu được dịch pha đến từ ănten còn lại. Người ta đã
chứng minh rằng công suất phát của hệ thống ănten kép được giảm xuống 9 dB tại độ phủ
99% cho tốc độ đi bộ thông thường (khoảng 5 km/h) khi so sánh với hệ thống ănten đơn.
Wong và Cox đã giới thiệu một hệ thống ănten kép có thể được áp dụng cho các thiết bị
cầm tay cũng như trạm gốc. Cộng các tín hiệu từ hai ănten với các trọng số thích hợp λ
dạng số phức sẽ loại bỏ nhiễu trội và do đó tăng SINR. Để tính toán các trọng số ănten,
một kỹ thuật tối ưu hoá SIR được đưa ra. Không giống với hai phương
Hình 3.2 : Bộ cầm tay ănten thông minh cho hệ thống DECT
pháp λ trên, việc cộng và đo trọng số tín hiệu được thực hiện tại tần số vô tuyến thay cho

mức tín hiệu băng tần cơ s λ. Vì vậy, giảm độ phức tạp của bộ kết hợp phân tập do chỉ cần
một bộ xử lý băng tần cơ s λ. Các kết quả mô phỏng máy tính cho thấy phương pháp này
đã cải thiện SIR nhiều hơn 3.8 dB khi so sánh với hệ thống phân tập lựa chọn hai ănten
truyền thống.
Một đặc điểm chủ yếu của hệ thống tổ ong 3G là tốc độ dữ liệu cao. Đối với tốc độ dữ
liệu cao, cần một hệ số trải phổ nhỏ hơn và BER thấp hơn. Do đó, cần một công suất phát
cao hơn tại trạm gốc, điều này làm tăng nhiễu đối với cell. Bằng cách sử dụng kỹ thuật
ănten thông minh đối với máy cầm tay, SINR thu được tại máy cầm tay có thể được cải
thiện. Do đó, trạm gốc phát công suất bé hơn đối với máy cầm tay ănten thông minh so với
máy cầm tay có một ănten.
Hình 3.3 cho thấy hiệu năng BER của hệ thống một ănten và một hệ thống ănten thông
minh. Như thấy λ trên hình, ưu điểm của một hệ thống ănten thông minh so với hệ thống
ănten đơn có thể được tận dụng theo hai cách: giảm SINR hay tăng BER. Ưu điểm này làm
tăng dung lượng và vùng phủ sóng khi BER hay chất lượng của dịch vụ (QoS) là cố định.
Trong khi đó ưu điểm này cải thiện QoS khi dung lượng được duy trì. Ănten thông minh
tại máy cầm tay có thể được áp dụng cho bất cứ một hệ thống thông tin cá nhân vô tuyến
nào như hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời
gian (TDMA), và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). Hệ thống FDMA hay TDMA có
thể tăng dung lượng chỉ khi tất cả các máy cầm tay trong cell được trang bị b λi một ănten
thông minh. Lý do là nhân tố gây giới hạn dung lượng đối với hệ thống TDMA và FDMA
là hệ số tái sử dụng tần số. Ngược lại, việc sử dụng một phần máy cầm tay có ănten thông
minh vẫn có thể làm tăng dung lượng của hệ thống đối với hệ thống CDMA, vì CDMA là
một hệ thống giới hạn nhiễu. Trong trường hợp này, độ lợi tăng dung lượng phụ thuộc vào
phần trăm các máy cầm tay sử dụng ănten thông minh.
Hình 3.3: Hệ thống ănten thông minh so với hệ thống một ănten.
3.2 Hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ 3
Công nghệ CDMA sẽ phát triển mạnh mẽ trong hệ thống truyền thông vô tuyến cá
nhân. Có hai hệ thống CDMA băng rộng được đưa ra theo các chuẩn thế hệ thứ 3 (3G), các
chuẩn này đáp ứng các yêu cầu của Viễn thông di động quốc tế (IMT)-2000 Liên đoàn viễn
thông quốc tế (ITU). Chuẩn thứ nhất là hệ thống CDMA băng rộng (WCDMA), thường gọi

là Đề án hiệp hội thế hệ 3 (3GPP), được sử dụng tại Châu Âu và Nhật. Hệ thống 3GPP
được thiết kế để tương thích với hệ thống toàn cầu cho hệ thống thông tin di động (GSM),
GSM là chuẩn TDMA thế hệ hai được sử dụng λ Châu Âu. Chuẩn thứ hai là hệ thống
cdma2000 do Hội công nghiệp Viễn Thông đề xuất (TIA). Hệ thống cdma2000 phát triển
từ IS-95, là chuẩn CDMA thế hệ hai được sử dụng λ Nam Mỹ và Hàn Quốc. Đối với hệ
thống 3GPP, có hai phương pháp trong công nghệ truy cập vô tuyến: phương pháp ghép
song công theo thời gian (TDD) và ghép song công theo tần số (FDD). Hệ thống 3GPP với
phương pháp FDD là một hệ thống CDMA, nhưng hệ thống 3GPP với phương pháp TDD
là hệ thống kết hợp giữa CDMA và TDMA. Trong đồ án này,chúng ta chỉ xét hệ thống
3GPP với phương pháp FDD.
Cả hai hệ thống 3GPP và cdma2000 đều dựa trên CDMA. Tuy nhiên, chúng khác nhau
về tốc độ chip, mã trải phổ, sữa lỗi đường xuống và một số các yếu tố khác. Điểm khác
nhau nổi bật nhất của 3GPP và cdma 2000 là sự đồng bộ hoá. đối với cdma2000, tất cả các
trạm gốc đều được đồng bộ hoá, tức là đồng hồ hệ thống của trạm gốc phải đồng bộ với
đồng hồ hệ thống λ vị trí toàn cầu (GPS). Vì vậy, cdma2000 được gọi là hệ thống đồng bộ.
Trong khi đó, các đồng hồ hệ thống sử dụng trong các trạm gốc 3GPP không nhất thiết
phải đồng bộ. Do đó, 3GPP được gọi là hệ thống không đồng bộ. Cả cdma2000 và 3GPP
đều có một tín hiệu hoa tiêu chung cho đường xuống từ trạm gốc đến trạm di động. Tín
hiệu hoa tiêu được sử dụng để ước tính điều kiện kênh, bao gồm độ mạnh của tín hiệu và
pha. Thông tin này được sử dụng để kết hợp các tín hiệu đa đường.
3.2.1 Hệ thống 3GPP
Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP được thể hiện trong hình 3.4. Mỗi
một bit của các kênh vật lý (PCH) được điều chế theo phương pháp khóa dịch pha toàn
phương (QPSK). Các bit Q(toàn phương) và các bit I (pha) được phân kênh bằng cách
nhân với các mã hệ số trải phổ biến đổi trực giao tại tốc độ chip là 3.84 Mcps. Tất cả các
tín hiệu được phân kênh đầu tiên sẽ kết hợp với nhau và sau đó được ngẫu nhiên hoá b λi
một mã dài phức, mã này được tạo ra từ tập mã Gold. Tín hiệu được ngẫu nhiên hoá và
không ngẫu nhiên hoá của kênh đồng bộ được kết hợp với nhau. Tín hiệu kết hợp có dạng
dạng xung khi qua bộ lọc FIR cosin root – raise với hệ số tương tác là ỏ = 0.22. Tín hiệu
sau khi được sửa dạng xung sẽ được phát qua kênh vô tuyến.

Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ phát đường xuống của hệ thống 3GPP
Tín hiệu phát s(t) với K người sử dụng được biễu diễn λ dạng phức như sau:
(3.1)
Trong đó , và là các tham số biễu diễn độ mạnh tín hiệu, dữ liệu người sử
dụng và mã OVSF của người sử dụng thứ k ( k = 1,2,…,K). S
dl
(t) là mã ngẫu nhiên của tín
hiệu s(t). Chú ý rằng, phần tử đầu tiên trong (3.1) là cho kênh hoa tiêu chung, trong đó
d
0
(t) biễu diễn cho ký tự hoa tiêu cố định (1+i) trong định dạng QPSK( i xác định khối ảo).
Tín hiệu thu được r(t) tại bộ thu trạm di động được biễu diễn như sau:
(3.2)
Trong đó M là số lượng đa đường, S
m
là công suất tín hiệu nhận được trung bình của
đường thứ m, là độ lợi kênh phức của thành phần đa đường thứ m với trễ thời gian là
, I(t) là nhiễu từ các cell lân cận, và n(t) là nhiễu nền. Bộ thu Rake giải trải phổ tín hiệu
đa đường và kết các tín hiệu này lại. Việc kết hợp các tín hiệu đa đường đòi hỏi mỗi một
tín hiệu đa đường phải được nhân với hệ số kênh được ước tính từ tín hiệu CPICH giải trải
phổ.
0 0 ,0 1 1 ,1 ,
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
ch ch k k ch k dl
s t d t C t d t C t d t C t S t
α α α
= + + +
 
 
K

k
α
k
d
,
( )
ch k
C t
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
M
m m m
m
r t S t s t I t n t
=
= ξ − τ + +
∑
1
2
ξ
( )
m
t
τ
m
Tín hiệu hoa tiêu (k = 0) đối với đa đường thứ m được giải trải phổ như sau:
(3.3)
Với T
p
là thời gian ký hiệu hoa tiêu, n là chỉ số ký tự, và * là liên hợp phức. Tín hiệu
người sử dụng thứ k (k = 1,2,...,K) của tín hiệu đa đường thứ m được giải trải phổ theo

cách giống như trong 3.3 và được biễu diễn như sau:
(3.4)
Trong đó, T
k
là thời gian ký tự dữ liệu của người sử dụng thứ k.
Khi đó, tín hiệu của người sử dụng từ các đường khác nhau được kết hợp
coherent để tạo ra một tín hiệu đầu ra như sau:
(3.5)
Trong đó L là số các rake finger ( bằng hoặc nhỏ hơn số lượng đa đường M). Cần chú ý
rằng nếu hệ số trải phổ của tín hiệu người sử dụng thứ k là SF
k
nhỏ hơn hệ số trải phổ của
tín hiệu hoa tiêu SF
k
, thì tín hiệu hoa tiêu y
0,m
(n) được sử dụng để đạt được đầu ra tín hiệu
người sử dụng liên tiếp .
3.2.2 Hệ thống cdma2000
Hình 3.5 biễu diễn một sơ đồ khối của đường xuống điển hình của hệ thống cdma2000.
Một khung bit dữ liệu người sử dụng được tạo ra ngẫu nhiên với tốc độ dữ liệu lưu lượng
là một trong các giá trị sau: 9600bps, 4800 bps, 2700 bps, hoặc 1500 bps. Các bit dữ liệu
tạo ra được gán với CRC và các bit đuôi. Các bit dữ liệu được mã hoá xoắn với tốc độ 1/4
τ
τ
τ τ
+ +
+
= − −
 

 
∫
*
( 1)
0, ,0
1
( ) ( ) ( ) ( )
p m
p m
n T
m dl m ch m
nT
p
y n r t S t C t dt
T
τ
τ
τ τ
+ +
+ +
= − −
 
 
∫
( 1)
, ,
( 1)
1
( ) ( ) ( ) ( ) *
k m

k m
n T
k m dl m ch k m
n T
k
y n r t S t C t dt
T
,
( )
k m
y n
*
, 0,
1
( ) ( ) ( )
L
k k m m
m
z n y n y n
=
=
∑
p p
k k
SF T
SF T
 
=
 ÷
 

và độ dài giới hạn là 9 và đan xen khối. Do đó, các bit dữ liệu được song song với điều chế
QPSK, và mỗi một bit song song được trải phổ bằng mã Walsh với hệ số trải phổ là 64 và
tốc độ chip là 1.2288 Mcps. Các tín hiệu dữ liệu kết quả được cộng với tín hiệu hoa tiêu,
tín hiệu dò tìm, tín hiệu đồng bộ và tất cả các tín hiệu của người sử dụng khác. Tín hiệu sau
khi được cộng sẽ được điều chế toàn phương b λi hai chuỗi PN ngắn và lấy mẫu b λi 8, sau
đó được đưa đến các bộ lọc dạng xung. Tín hiệu sau khi đã điều chỉnh dạng xung được
phát trên kênh.
Tín hiệu thu được sẽ được định dạng lại xung và lấy mẫu xuống b λi 8. Một bộ thu rake
có 4 phần tử giải trải phổ các tín hiệu đa đường và kết hợp các tín hiệu đã được giải trải
phổ đó. Tín hiệu được giải trải phổ và kết hợp được đưa đến bộ giải mã kênh, bộ này bao
gồm một bộ giải đan xen khối, giải mã Viterbi, và một bộ giải mã CRC.
Hình 3.5 : Đường xuống của cdma2000
3.2 Các lược đồ kết hợp
Chúng ta giới thiệu một hệ thống ăntenkép được tích hợp vào máy cầm tay được sử
dụng trong hệ thống truyền thông cá nhân vô tuyến trong đó khoảng cách giữa hai ănten là
1/4 bước sóng (3.5 cm). Để nghiên cứu các kết quả hiệu năng của việc sử dụng máy cầm
tay có hai ănten, các lược đồ phân tập khác nhau được sử dụng.
3.2.1 Kết hợp phân tập
Một bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu ănten sử dụng lược đồ phân tập kết hợp.
λ đây chúng ta xét ba lược đồ kết hợp phân tập : phân tập lựa chọn (SD), kết hợp độ lợi cân
bằng (EGC), và kết hợp tỷ lệ lớn nhất (MRC). Lược đồ SD lựa chọn tín hiệu có công suất
cao hơn. EGC chỉ cộng hai tín hiệu có trọng số bằng nhau và bằng 0.5. Lược đồ MRC đo
các mức tín hiệu và cộng chúng lại theo công thức , trong đó a và b là đầu ra
của hai bộ thu rake hoặc đầu ra của hai rake finger.
Để xử lý các tín hiệu ănten kép, có hai mức lược đồ kết hợp được xem xét. Mức lược
đồ thứ nhất là kết hợp phân tập mức Rake trong đó bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín
hiệu đầu ra của máy thu rake. Mức thứ hai là kết hợp phân tập mức rake finger trong đó bộ
kết hợp kết hợp các đầu ra của từng rake finger. Hai lược đồ này được biễu diễn trong hình
3.6. Để đơn giản, chỉ có ba phần tử được mô tả trong hình. Cần chú ý là tất cả các tín hiệu
bộ phận đều đã được gán trọng số trước đó (theo thông tin về pha và cường độ của tín hiệu

hao tiêu) trước khi bộ kết hợp phân tập kết hợp các tín hiệu đầu ra bộ phận.
(a) kết hợp phân tập mức Rake
a a b b
+
(b) Kết hợp phân tập mức bộ phận
Hình 3.6: Kết hợp phân tập
3.3.2 Kết hợp tương thích
Để kết hợp mỗi một tín hiệu đa đường từ hai ănten, một lược đồ kết hợp tương thích
dựa trên thuật toán N-LMS như giới thiệu trong chương 2 được sử dụng, trong đó các
trọng số ănten đạt được theo đệ quy để làm tối thiểu lỗi bình phương trung bình. Hệ thống
ănten kép với bộ kết hợp tương thích (AC) được biễu diễn trong hình 3.7
Hình 3.7: Kết hợp tương thích
Thủ tục để đạt được các trọng số ănten được giải thích bên dưới. Một trọng số ănten
mới của tín hiệu đa đường thứ m trên ănten thứ j được tính toán như sau:
(3.6)
( )
( 1)
j
m
n
ω
+
2
2
( ) ( ) ( ) ( ) *
0, 0, 0,
1
( 1) ( ) ( ( ) / ( ) ) ( )
j j j j
m m m m m

j
n n y n y n e n
ω ω µ
=
+ = +
∑