Đề tài Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------- o0o ---------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG 3G Người thực hiện: Nguyễn Trung Hiếu Lớp: D2001VT Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 2 MỤC LỤC DANH MỤC HèNH VẼ.............................................................................................i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................1 LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G ...............................2 1.1 Giới thiệu ........................................................................................................2 1.2 Cỏc mụ hỡnh kiến trỳc của cỏc hệ thống thông tin di động 3G ........................3 1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G ............................................3 1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3....................................4 1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5....................................6 1.3 Cỏc DSP khả trỡnh trong hệ thống thụng tin di động 3G .................................8 CHƯƠNG 2: CÁC DSP KHẢ TRèNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ (2G và 3G).................................................................................................................9 2.1 Giới thiệu ........................................................................................................9 2.2 Cỏc tiờu chuẩn vụ tuyến ................................................................................10 2.3 Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức năng....................12 2.4 Mụ tả chức năng một hệ thống hai chế độ......................................................14 2.5 Phõn tớch tớnh phức tạp và phõn chia HW/SW .............................................16 2.6 Các phương pháp thiết kế phần cứng .............................................................18 2.6.1 So sỏnh giữa kiến trỳc phõn tỏn với kiến trỳc tập trung.........................18 2.6.2 Phương pháp bộ đồng xử lý...................................................................20 2.6.3 Vai trũ của DSP trong 2G và chế độ kép ...............................................25 2.7 Xử lý phần mềm và giao diện với cỏc lớp cao hơn.........................................27 2.8 Tổng kết ........................................................................................................28 CHƯƠNG 3: CÁC DSP KHẢ TRèNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G..29 3.1 Giới thiệu ......................................................................................................29 3.2 Tổng quan về cỏc trạm gốc 3G: Cỏc yờu cầu.................................................30 3.2.1 Giới thiệu ..............................................................................................30 3.2.2 Cỏc yờu cầu chung................................................................................30 3.2.3 Xử lý băng tần gốc trạm gốc CDMA cơ bản..........................................31 3.2.4 Xử lý tốc độ ký hiệu (SR)......................................................................32 3.2.5 Xử lý tốc độ chip (CR) ..........................................................................32 3.2.5.1 Bộ tỡm kiếm: Bộ tỡm kiếm truy nhập và bộ tỡm kiếm lưu lượng..33 3.2.5.2 Bộ giải trải phổ RAKE..................................................................34 3.3 Phõn tớch hệ thống ........................................................................................34 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 3 3.3.1 Phõn tớch xử lý SR ...............................................................................34 3.3.2 Phõn tớch xử lý CR...............................................................................36 3.3.2.1 Phân tích bộ thu đường lên............................................................36 3.3.2.2 Sử dụng một bộ đồng xử lý ...........................................................37 3.4 Các giải pháp bộ đồng xử lý mềm dẻo ...........................................................38 3.4.1 Bộ đồng xử lý giải mó xoắn Viterbi.......................................................38 3.4.2 Bộ đồng xử lý giải mó turbo..................................................................40 3.4.3 Bộ đồng xử lý tương quan .....................................................................43 3.5 Tổng kết ........................................................................................................45 CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG DSP KHẢ TRèNH TRONG XỬ Lí DÀN ANTEN ......47 4.1 Giới thiệu ......................................................................................................47 4.2 Mụ hỡnh tớn hiệu dàn anten ..........................................................................48 4.3 Cỏc kỹ thuật tạo bỳp súng tuyến tớnh ............................................................52 4.3.1 Đạo hàm gần đúng cực đại ....................................................................53 4.3.2 Sự thớch ứng trung bỡnh bỡnh phương nhỏ nhất ...................................57 4.3.3 Xử lý cỏc bỡnh phương nhỏ nhất...........................................................58 4.3.4 Sự thớch ứng tớn hiệu mờ .....................................................................63 4.3.5 Cỏc ràng buộc khụng gian con ..............................................................66 4.3.6 Khai thỏc tuần hoàn tĩnh........................................................................68 4.3.7 Cỏc kỹ thuật bộ tạo bỳp súng phỏt.........................................................70 4.4 Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) ..................................................78 4.4.1 Mụ hỡnh hệ thống tuyến tớnh MIMO....................................................78 4.4.2 Dung lượng của các kênh truyền thông MIMO......................................81 4.4.3 Ước tính tuyến tính của cỏc tớn hiệu mong muốn trong cỏc hệ thống truyền thụng MIMO.......................................................................................83 4.4.3.1 Tỏch súng khử về 0 (Zero-Forcing Detection)...............................83 4.4.3.2 Tỏch súng lỗi trung bỡnh bỡnh phương cực tiểu tuyến tính...........84 4.4.3.3 Ước tính tuyến tính thích ứng mờ..................................................85 4.4.4 Ước tính phi tuyến của cỏc tớn hiệu mong muốn trong cỏc hệ thống truyền thụng MIMO.......................................................................................86 4.4.4.1 Tách sóng gần giống cực đại .........................................................87 4.4.4.2 Khử nhiễu nối tiếp.........................................................................88 4.4.4.3 Khử nhiễu song song.....................................................................89 4.5 Tổng kết ........................................................................................................90 KẾT LUẬN .............................................................................................................91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................92 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3GPP 3G Partnership Project Dự ỏn hợp tỏc 3G A ACS Add, Compare and Select Cộng, so sỏnh và lựa chọn AFC Automatic Frequency Control Điều khiển tần số tự động AGC Automatic Gain Control Điều khiển độ lợi tự động API Application Programming Interface Giao diện lập trỡnh ứng dụng ARIB Association Industry and Business Liờn hiệp kinh doanh và cụng nghiệp Nhật Bản ASIC Application Specific Integrated Circuits Mạch tích hợp ứng dụng đặc trưng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussơ trắng cộng B BLAST Bell-labs-LAyered-Space-Time Cỏc thớ nghiệm Bell phõn lớp khụng gian - thời gian BOM Bill of Materials Chi phớ vật liệu BOPS Billions of Operations Per Second Hàng tỷ thao tỏc trờn một giõy BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa chuyển pha cơ số hai BTS Base Transcerver Station Trạm thu phỏt gốc C CCP Correlator Coprocessor Bộ đồng xử lý tương quan CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền tải đa hợp được mó húa CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mó CM Constant Modulus Modul khụng đổi CMOE Constrained Minimum Output Energy Năng lượng đầu ra cực tiểu ràng buộc CODEC Coder and Decoder Bộ mó húa và giải mó CR Chip-rate Tốc độ chip CRC Cyclic Redundancy Code Mó dư vũng CSB Combined Symbol Buffer Bộ đệm ký hiệu kết hợp D DBB Digital Base Band Băng tần gốc số DCT Discrete Cosine Tranform Biến đổi cosin rời rạc DLL Delay Lock Loop Lặp khúa trễ DMA Direct Memory Access Truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMT Discrete Multitone Modulation Điều chế đa tần rời rạc DPE Delay Profile Estimation Ước tính hiện trạng trễ DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tớn hiệu số Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT iii E EDMA Enhance DMA DMA tăng cường EOL Early/On Time/Late Sớm/đúng lúc/muộn ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiờu chuẩn viễn thụng Chõu Âu F FCC Federal Communication Comission Ủy ban thụng tin liờn bang FCP Flexible Coprocessor Bộ đồng xử lý mềm dẻo FDD Frequency Division Duplex Ghộp song cụng phõn chia theo tần số FDD-DS Frequency Division Duplex-Direct Sequence Ghộp song cụng phõn chia theo tõn số- chuỗi trực tiếp FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FHT Fast Hadamard Transformation Biến đổi Hadamard nhanh FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa chuyển tần G GOPS GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vụ tuyến gúi chung GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống truyền thông di động toàn cầu H HW HardWare Phần cứng I IF Intermediate Frequency Tần số trung gian IMT International Mobile Telecommunications Thụng tin di động quốc tế ITU International Telecommunication Union Ủy ban viễn thụng quốc tế L LCC Loosely Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép lỏng LMMSE Linear Minimum Mean Squared Error Lỗi trung bỡnh bỡnh phương cực tiểu tuyến tính LMS Least Mean Squares M MAC Medium Access Layer Lớp truy nhập môi trường MAP Maximum A Posteriori MGSO Modified Gram-Schmidt Orthogonalization Trực giao hóa Gram-Schmidt thay đổi Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT iv MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MIPS Million Instructions Per Second Triệu lệnh trờn giõy MMU Memory Management Unit Khối quản lý bộ nhớ MRC Maximal Ratio Combining Tổ hợp tỷ số tối đa MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Square Error Lỗi trung bỡnh bỡnh phương MSK Minimum Shift Keying Điều chế dịch pha cực tiểu N NMSE Normalized Mean Square Error Lỗi trung bỡnh bỡnh phương chuẩn húa O OEM OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao P PIC Parallel Interference Cancellation Khử nhiễu song song PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PN Pseudo Noise Giả tạp õm PSK Phase Shift Keying Điều chế khúa dịch pha Q QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QR R RACH Random Access Channel Kờnh truy nhập ngẫu nhiờn RAKE Bộ phõn tập RAKE RC Radio Configuration Cấu hỡnh vụ tuyến RF Radio Frequency Tần số vụ tuyến RMS Recursive Least Squares Bỡnh phương đệ quy nhỏ nhất RRC Radio Resource Controller Bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến RSCC Recursive Systematic Convolution Coder Bộ mó húa xoắn hệ thống đệ quy S SCORE Self-Coherence Restoral SIC Successive Interference Cancellation Khử nhiễu liờn tiếp SINR Signal-to-Interference Noise Power Ratio Tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm, nhiễu SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm SOI Signal Of Interest Tớn hiệu quan tõm SR Symbol-rate Tốc độ ký hiệu SVD Singular Value Decomposition Phõn tớch giỏ trị duy nhất Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT v SW SoftWare Phần mềm T TCC Tightly Coupled Coprocessor Bộ đồng xử lý ghép chặt TDD Time Division Duplex Bộ ghộp song cụng phõn chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TI Texas Instruments Dụng cụ Texas U UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vụ tuyến mặt đất toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS V VCP Viterbi Coprocessor Bộ đồng xử lý Viterbi VLD Variable Length Decoding Giải mó chiều dài biến đổi W WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mó băng rộng WMSA Weighted Multi-Slot Average Trung bỡnh đa khe theo trọng số Đồ án tốt nghiệp đại học Lời núi đầu Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 1 LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động ngày nay đó trở thành một ngành cụng nghiệp viễn thụng phỏt triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các nhà khai thác. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đó thỳc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hỡnh đó phỏt triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rừ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng. Đồ án “Ứng dụng cỏc DSP khả trỡnh trong 3G” trỡnh bày những ứng dụng của cỏc DSP khả trỡnh trong việc thiết kế cỏc thành phần căn bản của hệ thống 3G. Sự hỗ trợ của cỏc DSP khả trỡnh đối với việc tăng khả năng xử lý, tốc độ xử lý, dung lượng hệ thống, hiệu suất làm việc của hệ thống 3G. Qua đó thấy được ứng dụng và tầm quan trọng của cỏc DSP khả trỡnh trong việc thiết kế hệ thống thụng tin di động. Bố cục của đồ án gồm 4 chương:  Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G.  Chương 2: Cỏc DSP khả trỡnh trong cỏc mỏy cầm tay hai chế độ (2G và 3 G).  Chương 3: Cỏc DSP khả trỡnh trong cỏc modem trạm gốc 3G.  Chương 4: Sử dụng DSP khả trỡnh trong xử lý dàn anten. DSP được sử dụng rộng rói trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học, công nghệ điện tử, tin học và đời sống. Ứng dụng của DSP trong hệ thống thông tin di động thỡ khụng phải là mới mẻ, nhưng việc tỡm hiểu về ứng dụng của cỏc DSP khả trỡnh trong 3G là vấn đề khá mới ở Việt Nam, đũi hỏi phải cú kiến thức sõu rộng về hệ thống 3G và xử lý tớn hiệu số. Vỡ vậy trong khuụn khổ đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót cũng như cũn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thoả đáng. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cụ giỏo, sự gúp ý và phờ bỡnh của cỏc bạn. Trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ ỏn em đó nhận được sự giỳp đỡ tận tỡnh của thầy giỏo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, sự chỉ bảo õn cần của cỏc thầy cụ giỏo trong khoa Viễn thụng. Em xin chõn thành cảm ơn! Hà Nội ngày 20/10/2005 Sinh viờn Nguyễn Trung Hiếu Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1.1 Giới thiệu Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào thời điểm đó đó cú những thành cụng nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị cũn khỏ cồng kềnh và cụng nghệ vụ tuyến vẫn cũn gặp khú khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố. Vào năm 1930 đó cú một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM, được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài đến cả thời bỡnh, và cỏc dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại. Hỡnh 1.1 trỡnh bày túm tắt lộ trỡnh phỏt triển cỏc thế hệ thụng tin di động từ 1G đến 3G. Để tiến tới thế hệ ba, thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai đoạn này được gọi là 2,5G. Hỡnh 1.1: Lộ trỡnh phỏt triển cỏc thế hệ thụng tin di động Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 3 Bảng 1.3: Một số nột chớnh của nền tảng cụng nghệ thông tin di động từ thế hệ một đến thế hệ ba. Thế hệ thông tin di động Hệ thống Dịch vụ chung Chỳ thớch Thế hệ 1 (1G) AMPS, TACS, NMT Tiếng thoại FDMA, tương tự Thế hệ 2 (2G) GSM, IS-136, IS-95 Chủ yếu cho thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn TDMA hoặc CDMA, số, băng hẹp (8-13Kbit/s) Thế hệ trung gian (2,5G) GPRS, EDGE, cdma200-1x Trước hết là tiếng thoại có đưa thêm các dịch vụ số liệu gói TDMA (kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số), CDMA, sử dụng chồng lờn phổ tần của thế hệ hai nếu khụng sử dụng phổ tần mới, tăng cường truyền số liệu gói cho thế hệ hai Thế hệ 3 (3G) Cdma2000, W-CDMA Các dịch vụ tiếng và số liệu gói được thiết kế để truyền tiếng và số liệu đa phương tiện là nền tảng thực sự của thế hệ ba. CDMA, CDMA kết hợp TDMA, băng rộng (tới 2 Mbit/s), sử dụng chồng lấn lờn thế hệ hai hiện cú nếu khụng sử dụng phổ tần mới 1.2 Cỏc mụ hỡnh kiến trỳc của cỏc hệ thống thông tin di động 3G 1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng cỏc chuyển mạch gúi. Hỡnh 1.2 cho thấy ví dụ về một kiến trúc tổng quát của thông tin di động 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lừi. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 4 Hỡnh 1.2: Kiến trỳc tổng quỏt của một mạng di động kết hợp cả CS và PS 1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3 Hỡnh 1.3 cho thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP phỏt hành 1999 (Tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS ). Hỡnh 1.3: Kiến trỳc mạng trong 3GPP phỏt hành 1999 Mạng lừi gồm cỏc trung tõm chuyển mạch di dộng MSC và cỏc nỳt hỗ trợ chuyển mạch gúi phục vụ SGSN. Cỏc kờnh thoại và số liệu chuyển mạch gúi được kết nối với các mạng ngoài qua trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT 5 cổng GMSC và GGSN. Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng IWF. Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và các nút chuyển mạch gói, mạng lừi cũn chứa cỏc cơ