Đồ án “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA . ” ppt

GIỚI THIỆU Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân c

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 4

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 5

1.1 GIỚI THIỆU 5

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1 5

1.2.1 Nguyên lý FDMA 5

1.2.2 Nhiễu giao thoa kênh lân cận 9

1.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2 10

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 10

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 16

1.4 SO SÁNH DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG FDMA,TDMA,CDMA 22

1.5 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA 23

CHƯƠNG 2 27

CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN W-CDMA 27

2.1 CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ W- CDMA 27

2.1.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) 27

2.1.2 Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ 29

2.1.3 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến 30

2.1.4 Ứng dụng các ưu điểm của công nghệ W-CDMA trong các hệ thống di động 30

2.2 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG W- CDMA 34

2.2.1 Ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ 34

2.2.2 Tìm nhận ô 38

2.2.3 Truy nhập ngẫu nhiên 42

2.2.4 Các công nghệ để thoả mãn các yêu cầu về chất lượng khác nhau trong truyền dẫn đa tốc độ 42

2.2.5 Phân tập đa dạng 52

CHƯƠNG 3 60

CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 60

3.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA W-CDMA 60

3.1.1 Hiệu suất sử dụng tần số cao 60

3.1.2 Dễ quản lý tần số 60

3.1.3 Công suất phát của máy di động thấp 60

3.1.4 Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường xuống 61

3.1.5 Nhiều tốc độ số liệu 61

3.1.6 Cải thiện các giải pháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia 61

3.1.7 Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu 62

3.2 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA W-CDMA 62

3.3 CẤU TRÚC CỦA MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 63

3.4 CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT TRONG W-CDMA 65

3.4.1 Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đường xuống 65

3.4.2 Truyền dẫn OVSF 66

3.4.3 Cấu trúc hoa tiêu 66

3.4.4 Phương pháp truy nhập gói 66

3.4.5 Các mã Turbo 67

3.4.6 TPC 67

3.4.7 Phân tập truyền dẫn 68

3.5 KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG (HAI CHIỀU ) PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN (TDD) VÀ KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ (FDD) 68

KẾT LUẬN 69

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 71

LỜI MỞ ĐẦU

Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động được coi như là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng Thành công của con người trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hướng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao 3G - Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 là cái đích trước mắt mà thế giới đang hướng tới

Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động Kết quả là một sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000) IMT-2000 không chỉ là một

bộ dịch vụ, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào Để được như vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và/hoặc vệ tinh Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng

Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được xây dựng theo tiêu chuẩn GSM, IS-95, PDC, IS-38 phát triển rất nhanh vào những năm 1990 Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dùng FDMA hoặc TDMA Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào quên lãng Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000

Tại Việt Nam, thị trường di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ tương đối nhanh Cùng với hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, Công Ty Viễn thông Quân đội (Vietel), S-fone và mới nhất là Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội và Viễn Thông Điện Lực tham gia vào thị trường

di động chắc hẳn sẽ tạo ra một sự cạnh tranh lớn giữa các nhà cung cấp dịch vụ, đem lại một sự lựa chọn phong phú cho người sử dụng Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụ di động Việt Nam không chỉ sử dụng các biện pháp cạnh tranh về giá cả mà còn phải nỗ lực tăng cường số lượng dịch vụ và nâng cao chất lượng dịch vụ để chiếm lĩnh thị phần trong nước Điều đó có nghĩa rằng hướng tới 3G không phải là một tương lai xa ở Việt

Nam Trong số các nhà cung cấp dịch vụ di động ở Việt Nam, ngoài hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, còn có Vietel đang áp dụng công nghệ GSM và cung cấp dịch vụ di động cho phần lớn thuê bao di động ở Việt Nam Vì vậy khi tiến lên 3G, chắc chắn hướng áp dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA

để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 phải được xem xét nghiên cứu

Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng W-CDMA em đã thực hiện đồ án: “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA) Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử

lý băng rộng trong hệ thống WCDMA ”

Đồ án này em trình bày gồm 3 chương với các nội dung chính sau :

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động số

Chương này đã giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động và sự cần thiết của việc xây dựng hệ thống thông tin di động thứ 3

Chương 2 : Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA

Chương này trình này về các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA và ứng dụng của nó trong các hệ thống di động

Chương 3 : Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ

1.1 GIỚI THIỆU

Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói là thế hệ đang được triển khai ở một số quốc gia trên thế giới

Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới được thể hiện

sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tương lai

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1

Phương pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự

để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng Với FDMA , khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập

Trong phương pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B Mhz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz (hình 1.1) Trong dạng đa truy nhập này các máy vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau Cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chiếm để phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động Máy thu đường xuống hoặc đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp

Như vậy FDMA là phương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một tần số cố định Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải được phân chia và quy hoạch thống nhất trên toàn thế giới

Hình 1.1 FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận

Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của một máy thuê bao phải hoặc được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu khác nhau Phương pháp thứ nhất được gọi là ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phương pháp thứ hai được gọi là

ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex)

Phương pháp thứ nhất được mô tả ở hình 1.2 Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa: một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band) Trong mỗi nửa băng tần người ta bố trí các tần số cho các kênh (xem hình 1.2a) Trong hình 1.2a các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao

có cùng chỉ số được gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần số sẽ được sử dụng cho máy phát còn một tần số được sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song công Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận (Δx), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho trước (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau Như vậy mỗi kênh bao gồm một cặp tần số: một tần số ở băng tần thấp và một tần số ở băng tần cao để đảm bảo thu phát song công Thông thường ở đường phát đi từ trạm gốc (hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu

ở trạm đầu cuối) được gọi là đường xuống, còn đường phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) được gọi là đường lên Khoảng cách giữa hai tần số

Đoạn bảo vệ B/n MHZ

Nhiễu kênh lân cận

B MHZ

đường xuống và đường lên là ΔY như thấy trên hình vẽ Trong thông tin di dộng tần số đường xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp hơn đường xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn Trong trong thông tin

vệ tinh thì tuỳ thuộc vào hệ thống, tần số đường xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đường lên, chẳng hạn ở các hệ thống sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử đụng tần số đường lên cao hơn đường xuống, ngược lại ở các hệ thống thông tin vệ tinh (như di động chẳng hạn) do trạm mặt đất nhỏ nên tần số đường lên được sử dụng thấp hơn tần số đường xuống

∆y: Khoảng cách tần số thu phát B: Băng thông cấp phát cho hệ thống

B

Trạm gốc MS1

Trong phương pháp thứ hai (FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhưng phân chia theo thời gian) khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phương pháp ghép song công theo thời gian: TDD) Phương pháp này được mô tả ở hình 1.3 Hình 1.3 cho thấy kênh

vô tuyến giưã trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng một tần số fi cho cả phát và thu Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Rx, sau đó nó lại phát ở khe Tx

Ký hiệu

∆x: Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận

B: Băng thông cấp phát cho hệ thống

Hình 1.3 Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD

1.2.2 Nhiễu giao thoa kênh lân cận

Từ hình 1.1 ta thấy độ rộng của kênh bị chiếm dụng bởi một số sóng mang ở các tần số khác nhau Các sóng mang này được phát đi từ một trạm gốc đến tất cả các máy vô tuyến đầu cuối nằm trong vùng phủ của anten trạm này Máy thu của các máy

vô tuyến đầu cuối phải lọc ra các sóng mang tương ứng với chúng, việc lọc sẽ được thực hiện dễ dàng hơn khi phổ của các song mang được phân cách với nhau bởi một băng tần bảo vệ rộng Tuy nhiên việc sử dụng băng tần bảo vệ rộng sẽ dẫn đến việc sử dụng không hịêu quả độ rộng băng tần của kênh Vì thế phải thực hiện sự dung hòa giữa kỹ thuật và tiết kiệm phổ tần Dù có chọn một giải pháp dung hòa nào đi nữa thì một phần công suất của sóng mang lân cận với một sóng mang cho trước sẽ bị thu bởi máy thu được điều hưởng đến tần số của sóng mang cho trước nói trên Điều này dẫn đến nhiễu do sự giao thoa được gọi là nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference)

Dung lượng truyền dẫn của từng kênh (tốc độ bit Rb) xác định độ rộng băng tần điều chế (Bm) cần thiết nhưng phải có thêm một khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận nên Bm < B/n Do vậy dung lượng thực tế lớn hơn dung lượng cực đại nhận được bởi một kỹ thuật điều chế cho trước.Vì vậy hiệu suất sử dụng tần số thực sự sẽ là n/B kênh lưu lượng trên MHz

Trong các hệ thống điện thoại không dây FDMA điển hình của châu Âu hiệu suất sử dụng tần số thực của các hệ thống điện thoại không dây là 20 kênh/Mhz còn đối với điện thoại không dây số là 10 kênh/MHz

Về mặt kết cấu, FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền được một Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lượng thì phải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tần số vô tuyến cho các kênh này

Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD) Ở phương pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian phát thu luân phiên (hình 1.3)

Phương pháp FDMA ít nhậy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóng, không cần đồng bộ và không xẩy ra trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiều, vì vậy giảm trễ hồi âm

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ưu điểm hơn thế hệ 1về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất lượng,

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các

thuê bao di động dựa trên công nghệ số

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập :

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA)

- Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access- CDMA)

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử

dụng sao cho không có sự chồng chéo Phổ quy định cho liên lạc di động được

chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung

Ký hiệu

TB : thời gian của một cụm

Hình 1.4 Nguyên lý TDMA

Phương pháp vừa nêu ở trên sử dụng cặp tần số song công cho TDMA được gọi

là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/ FDD (FDD: Frequency Division Duplexing) Trong phương pháp này đường lên (từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc, còn ở đường xuống (từ trạm gốc đến máy đầu cuối) là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) được phát đi từ trạm gốc cho các máy đầu cuối, (xem hình 1.5a)

Để có thể phân bổ tần số thông minh hơn, phương pháp TDMA/TDD (TDD: Time Division Multiplexing) được sử dụng Trong phương pháp này cả hai đường lên

và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khỏang thời gian khác nhau (xem hình 1.5b)

Hình 1.5 Các phương pháp đa truy nhập: a) TDMA/FDD; b) TDMA/TDD

b Tạo cụm

Quá trình tạo cụm được mô tả ở hình 1.6 Máy phát của trạm gốc nhận thông tin

ở dạng luồng cơ số hai liên tục có tốc độ bit Rb từ giao tiếp người sử dụng Thông tin

sung để tạo thành một cụm bao gồm thông tin của người sử dụng và thông tin điều

khiển bổ sung

Hình 1.6 Quá trình tạo cụm ở một hệ thống vô tuyến TDMA

Ghép kênh (TDMA)

và điều chế

Luồng của các người sử dụng

t

Các bộ đệm

Bộ ghép khung TDMA

Bộ điều chế

Định thời TDMA

Sau đó cụm được đặt vào khe thời gian TB tương ứng ở bộ ghép khung TDMA Giữa các cụm có thể có các khoảng trống để tránh việc chồng lấn các cụm lên `nhau khi đổng bộ không được tốt

Đầu ra của bộ ghép khung TDMA ta được luồng ghép có tốc độ điều chế R đưa đến bộ điều chế Tốc độ điều chế R điều chế cho sóng mang được xác định như sau:

trong đó TB thời gian của cụm, còn TF là thời gian của một khung

Giá trị R lớn khi thời gian của cụm nhỏ và vì thế thời gian chiếm (TB/TF) cho một kênh để truyền dẫn thấp Chẳng hạn nếu Rb= 10kbit/s và (TF/TB) = 10, điều chế xẩy ra ở tốc độ 100kbit/s Lưu ý rằng R là tổng dung lượng của mạng đo bằng bps Từ khảo sát ở trên có thể thấy rằng vì sao dạng truy nhập này luôn luôn liên quan đến truyền dẫn số: nó dễ dàng lưu giữ các bit trong thời gian một khung và và nhanh chóng giải phóng bộ nhớ này trong khoảng thời gian một cụm Không dễ dàng thực hiện dạng

xử lý này cho các thông tin tương tự

Mỗi cụm ngoài thông tin lưu lượng còn chứa thông tin bổ sung như:

1) Đầu đề chứa:

- Thông tin đề khôi phục sóng mang (CR: Carrier Recovery) và để đồng

bộ đồng hồ bit của máy thu (BTR: Bit Timing Recovery)

- Từ duy nhất (UW : Unique Word) cho phép máy thu xác định khởi đầu của một cụm UW cũng cho phép giải quyết được sự không rõ ràng về pha (khi cần thiết) trong trường hợp giải điều chế nhất quán Khi biết được khởi đầu của cụm, tốc độ bit và xẩy ra sự không rõ ràng pha máy thu có thể xác định được các bit đi sau từ duy nhất

- Nhận dạng kênh (CI: Channel Identifier)

- Các thông tin nói trên có thể được đặt riêng rẽ và tập trung ở đầu cụm hay có thể kết hợp với nhau hay phân bố ở nhiều chỗ trong một số khung (trường hợp các từ đồng bộ khung phân bố)

2) Báo hiệu và điều khiển

3) Kiểm tra đường truyền

Trong một số hệ thống các thông tin bổ sung trên có thể được đặt ở các kênh dành riêng

c Thu cụm

Quá trình xử lý ở máy thu của máy vô tuyến đầu cuối 3 được cho ở hình 1.7 Phần xử lý khung TDMA sẽ điều khiển việc mở cổng cho cụm cần thu trong khe thời gian

TS3 dành cho máy đầu cuối này Máy thu xác định khởi đầu của mỗi cụm (hoặc mối khung) bằng cách phát hiện từ duy nhất, sau đó nó lấy ra lưu lượng dành cho mình

từ khung TDMA (Lưu ý rằng ở một số hệ thống nhờ đồng bộ chung trong mạng nên máy thu có thể xác định ngay được khe thời gian dành cho nó mà không cần từ duy nhất) Lưu lượng này được thu nhận không lien tục với tốc độ bit là R Để khôi phục lại tốc độ bit ban đầu Rb ở dạng một luồng số liên tục, thong tin được lưu giữ ở bộ đệm trong khoảng thời gian của khung đang xét và được đọc ra từ bộ nhớ đệm này ở tốc độ

Rb trong khoảng thời gian của khung sau

Điều quan trọng để xác định được nội dung của cụm nói trên là trạm thu phải có khả năng phát hiện được từ duy nhất ở khởi đầu của mỗi cụm (hoặc mỗi khung) Bộ phát hiện từ duy nhất xác định mối tương quan giữa các chuỗi bit ở đầu ra của bộ phát hiện bit của máy thu, chuỗi này có cùng độ dài như từ duy nhất và là mẫu của từ duy nhất được lưu giữ ở bộ nhớ của bộ tương quan Chỉ có các chuỗi thu tạo ra các đỉnh tương quan lớn hơn một ngưỡng thì được giữ lại như là các từ duy nhất

Hình 1.7 Quá trình thu cụm trong TDMA

d Đồng bộ

Ở TDMA vấn đề đồng bộ rất quan trọng Đồng bộ cho phép xác định đúng vị trí của cụm cần lấy ra ở máy thu hay cần phát đi ở máy phát tương ứng Nếu các máy đầu cuối là máy di động thì đồng bộ còn phải xét đến cả vị trí của máy này so với trạm gốc

Về vấn đề đồng bộ chúng ta sẽ xét ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến cụ thể

So với FDMA, TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn Tuy nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảm bảo dung lượng của mạng Vì thế TDMA thường được sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao

Nhược điểm cuả TDMA là đòi hỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMA khi cần dung lượng truyền dẫn cao, ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xẩy ra hiện tượng hồi âm

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai.Kênh vô tuyến CDMA được

3

Z

Giải điều chế

Cửa mở tại TS 3

Bộ đệm

Định thời TDMA

Máy đầu cuối 3

Tốc độ R b

t

dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ

mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN)

a Đặc điểm của CDMA:

-Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz

-Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp

-Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA

-Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn

vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt

CDMA là phương thức đa truy nhập mà ở đó mỗi kênh được cung cấp một cặp tần số và một mã duy nhất Đây là phương thức đa truy nhập mới, phương thức này dựa trên nguyên lý trải phổ Tồn tại ba phương pháp trải phổ:

- Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency)

- Trải phổ theo nhẩy tần (FH: Frequency Hopping)

- Trải phổ theo nhẩy thời gian (TH: Time Hopping)

b Các 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 Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tương tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trường hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK , QPSK v.v )

Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là 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 Tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì được các ưu điểm cuả trải phổ Một hệ thống thông tin số được coi

là SS 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

Hình 1.8 cho thấy sơ đồ khối chức năng cuả một hệ thống thông tin SS điển hình cho hai cấu hình: vệ tinh và mặt đất Nguồn tin có thể số hay tương tự Nếu nguồn

là tương tự thì trước hết nó phải được số hoá bằng một sơ đồ biến đổi tương tự vào số như: điều xung mã hay điều chế delta Bộ nén tín hiệu loại bỏ hay giảm độ dư thông tin

ở nguồn số Sau đó đầu ra được mã hoá bởi bộ lập mã hiệu chỉnh lỗi (mã hoá kênh) để đưa vào các bit dư cho việc phát hiện hay sửa lỗi có thể xẩy ra khi truyền dẫn tín hiệu qua kênh vô tuyến

Phổ của tín hiệu cần phát được trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó

bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần được cấp cho truyền dẫn Sau đó tín hiệu đã điều chế được khuyếch đại, được phát qua kênh truyền dẫn, kênh này có thể là dưới đất hoặc vệ tinh Kênh này có thể gây ra các giảm chất lượng như: nhiễu, tạp âm và suy hao công suất tín hiệu Lưu ý rằng đối với SS thì các bộ nén/giãn và mã hoá/ giải mã hiệu chỉnh lỗi (mã hoá/ giải mã kênh) là tuỳ chọn Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng vị trí cuả các chức năng trải phổ và điều chế có thể đổi lẫn Hai chức năng này thường được kết hợp và thực hiện ở một khối

Tại phiá thu máy thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu bằng cách thực hiện các quá trình ngược với phía phát: giải điều chế tín hiệu thu, giải trải phổ, giải mã và giãn tín hiệu để nhận được một tín hiệu số Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số này được biến đổi vào tương tự bằng một bộ biến đổi số/ tương tự

Hình 1.8 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình với trải phổ

(cấu hình hệ thống mặt đất và vê tinh)

Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading

Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời

gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) (hình 1.9, 1.10 và 1.11) Cũng có thể

nhận đƣợc các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên Hệ thống DSSS đạt đƣợc trải

phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip

(Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian

một bit) của luồng số cần phát Hệ thống FHSS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhẩy tần

số mang trên một tập (lớn) các tần số Mẫu nhẩy tần có dạng giả ngẫu nhiên Tần số

trong khoảng thời gian của một chip Tc giữ nguyên không đổi Tốc độ nhẩy tần có thể

nhanh hoặc chậm Trong hệ thống nhẩy tần nhanh, nhẩy tần đƣợc thực hiện ở tốc độ

Nén số liệu

Mã hóa kênh

Điều chế (BPSK, QPSK)

Khuếch đại công suất

Kênh truyền dẫn suy hao vô tuyến

Kênh vệ tinh Nhiễu Tạp âm

Phát đáp

vệ tinh

Kênh truyền dẫn suy hao vô tuyến

Nhiễu Tạp âm

Biến đổi

AD

Nguồn chuỗi giả tạp âm trải phổ

Song mang

Kênh truyền dẫn suy hao vô tuyến

Nhiễu Tạp âm

Kênh mặt đất Máy phát

Máy thu

Các chức năng tùy chọn

Nén số liệu

Giải mã kênh

Giải điều chế

Khuếch đại công suất

Biến đổi AD

Chuỗi giả tạp

âm giải trải phổ

Song mang

Đồng bộ chuỗi Giả tạp âm

cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn ở hệ thống nhẩy tần chậm thì ngƣợc lại.

Trong đó:

Hình 1.9 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

T=Tf/M, trong đó M là số khe thời gian trong một khung

Hình 1.11 Trải phổ nhẩy thời gian (THSS)

Trong hệ thống 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 nhẩy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng

để truyền dẫn trong mỗi khung

Lúc đầu các kỹ thuật SS được sử dụng trong các hệ thống thông tin của quân sự

Ý tưởng lúc đầu là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn bằng cách gây khó khăn cho các máy thu này trong việc tách và lấy

ra được bản tin Để biến đổi bản tin vào tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng một mã đươc

"coi là" ngẫu nhiên để mã hoá cho bản tin Ta muốn mã này giống ngẫu nhiên nhất Tuy nhiên máy thu chủ định phải biết được mã này, vì nó cần tạo ra chính mã này một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để lấy ra bản tin (giải mã) Vì thế mã "giả định" ngẫu nhiên phải là xác định Nên ta phải sử dụng mã giả ngẫu nhiên (hay mã giả tạp âm) Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với

độ rộng băng cuả bản tin Bản tin trên được biến đổi bởi mã sao cho tín hiệu nhận được

có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên Có thể coi sự biến đổi này như một quá trình "mã hoá" Quá trình này được gọi là quá trình trải phổ Ta nói rằng ở máy phát bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên Máy thu phải giải trải phổ của tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ của bản tin

Hiện này phần lớn các quan tâm về các hệ thống SS là các ứng dụng đa truy nhập mà ở đó nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn Trong hệ thống DSSS 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 giải trải phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Ở các hệ thống FHSS và THSS 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

Các mã trải phổ có thể là các mã giả tạp âm (PN code) hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao

Trong FDMA và TDMA, tổng băng tần Bt được chia thành M kênh truyền dẫn, mỗi kênh có độ rộng băng tần tương đương là Bc Vì thế dung lượng vô tuyến cho FDMA và TDMA được xác định như sau:

trong đó Kmax là số người sử dụng cực đại trong một ô,

M=Bt/Bc tổng số kênh tần số hay số kênh tương đương,

Bt là tổng băng tần được cấp phát,

Bc là kênh vô tuyến tương đương cho một người sử dụng , Đối với hê thống TTDĐ FDMA thì Bc= băng thông kênh vô tuyến còn đối với TDMA thì Bc= băng thông kênh vô tuyến/ số khe thời gian (chẳng hạn đối với TDMA AMPS

Bc=30kHz còn đối với TDMA GSM Bc= 100kHz/8TS=25kHz), N là kích thước cụm ô bằng ( N=7 đối với FDMA AMPS, N=3 đối với TDMAGSM, C là công suất trung bình sóng mang và I là công suất nhiễu

trong đó Gp là độ lợi xử lý,

λ hệ số điều khiển công suất hoàn hảo

Ebr/N'0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu,

Sử dụng phương trình (1.2) ta được KmaxCDMA=920người/ô

Như vậy dung lượng hệ thống CDMA gấp: 920:59=15,6 lần FDMA và gấp:920:125=7,36 lần TDMA Chính nhờ cho dung lượng cao hơn các hệ thống FDMA và TDMA nên CDMA đã được chọn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ

W-CDMA có các tính năng cơ sở 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 W-CDMA 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 W-CDMA 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 đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó, các

hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể 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

Hình 1.12 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ không

KBit/s

Đa phương tiện di động Quảng bá

Interne

t

WWW

Thư điện tử

FTP

Y tế từ xa

Thư tiếng

Truy nhập cơ sở dữ liệu

Mua hàng theo Catalog Video

Video theo yêu cầu

Báo điện

tử

Karaoke ISDN

Xuất bản điện tử

Thư điện tử FAX

Các dịch

vụ phân phối thông tin

Tin tức

Dự báo thời tiết

Thông tin lưu lượng

Truyền hình di động

Truyền thanh

di động

Tiếng

Số liệu H.ảnh

liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT…

Công trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phòng thí nghiệm đa truy cập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa truy cập vô tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90 Các dự án này đã tiến hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền

Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là WCDMA Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động phải trải qua giai đoạn 2,5G Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS và Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)

Công nghệ thông tin di động số thế hệ ba W-CDMA Công nghệ này liên quan đến những cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay Đầu tiên

là tăng tốc độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và chất lượng hơn Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết

bị cầm tay và điện thoại di động

Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ 2.5G sang thế hệ 3 (3 - Generation) Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch

vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở châu Âu ETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System) Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2GHz

Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT – 2000 với các tiêu chí sau :

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz

1885 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch

vụ viễn thông

- Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Vitual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu; Đảm bảo chuyển mạng quốc tế; Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện

Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là : GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC Trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN W-CDMA

2.1 CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ W- CDMA

2.1.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) được sử dụng cho hệ thống di động CDMA thế hệ thứ hai của Mỹ, hệ thống CDMA-WLL của Nhật và hiện đang được sử dụng trong các

hệ thống di động thế hệ thứ ba W-CDMA

Trong các hệ thống trải phổ DS, một số liệu băng gốc dạng nhị phân lưỡng cực điển hình có tốc độ ký hiệu (1/Ts) sẽ được nhân với một chuỗi nhị phân lưỡng cực giả ngẫu nhiên có tốc độ "chip " (1/Tc) lớn hơn nhiều so với tốc độ ký hiệu (Ts = NTc) Như minh hoạ khái quát trong hình 2.1, hiệu quả của quá trình này là trải rộng độ rộng băng tức thời của dạng sóng theo hệ số N, với cùng một mức công suất tín hiệu làm cho mật

độ phổ công suất của tín hiệu trở nên khá thấp và " giống như tạp âm " Trong hình 2.3, trình bày một phổ RF đơn biên, công suất tín hiệu được biểu thị là PS = A1W = A0B, chứng tỏ rằng mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ giảm đi một hệ số A1/A0 = B/W =1/ N so với mức khi không trải phổ Tại phía máy thu, "quá trình giải trải phổ" (nhân với cùng một chuỗi nhị phân được dùng để trải phổ ở phía máy phát) và giải điều chế sẽ khôi phục lại được số liệu băng gốc nguyên thuỷ, cho phép máy thu lọc bỏ phần lớn nhiễu băng rộng Giả sử rằng bộ lọc đầu vào máy thu nhận tín hiệu cần thu có độ rộng băng W Hz ( như hình 2.3), thì máy thu cũng thu cả các nhiễu trong độ rộng băng này Trong hình này, giả thiết rằng mức nhiễu là N0 có thể tương đối lớn so với mức thu làm cho tỷ số SNR của tín hiệu RF là (SNR)RF = A1 /N0 < 1 Nhưng sau khi trải phổ,

độ rộng băng của tín hiệu cần thu giảm đến giá trị ban đầu B, trong khi độ rộng băng của nhiễu vẫn là W Như vậy, quá trình lọc đối với độ rộng băng tần tín hiệu có thể được sử dụng để loại bỏ công suất nhiễu trong SNR của số liệu băng gốc

Hình 2.1 Hệ thống trải phổ DS-CDMA

Một độ lợi xử lý N = W/B = tỷ số của tốc độ chíp / tốc độ ký hiệu và còn được gọi là hệ số trải phổ (SF) thể hiện mức độ chống nhiễu băng rộng sẽ đạt được nhờ sử dụng quá trình trộn (nhân) và lọc (tương quan) Nếu thu được một bản sao bị trễ của tín hiệu cần thu (tức là một thành phần sóng trong hiệu ứng nhiều tia ), quá trình trộn bởi các sóng trải phổ ở máy thu không làm giảm độ rộng băng tần của tín hiệu này nếu hàm tương quan của dạng sóng trải phổ có các thuộc tính mong muốn nhất định thoả

W

Điều chế song mang

Giải trải phổ và giải điều chế

a.Phía phát của hệ thống

Lọc

b.Phía thu của hệ thống

Dạng sóng số liệu đã được khôi phục

mãn bởi các chuỗi giả ngẫu nhiên Như vậy, hệ thống trải phổ DS thu được một độ lợi

xử lý chống nhiễu do hiện tượng nhiều tia từ tín hiệu cần thu cũng như chống hiện tượng jamming hoặc nhiễu từ những thuê bao khác Khả năng này của hệ thống trải phổ DS để tách ra tín hiệu cần thu và khử nhiễu do hiện tượng nhiều tia đã được khai thác bởi một kỹ thuật thu gọi là " rake", kỹ thuật này sẽ thu các tia sóng đến máy thu qua nhiều đường khác nhau (multipath) sử dụng các mạch phát chuỗi PN có các thời gian trễ khác nhau, sắp xếp lại các tia sóng này theo thời gian và sau đó kết hợp chúng

để thu được một độ lợi phân tập

2.1.2 Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ

Có một số yêu cầu nhất định đối với các mã trải phổ, trong đó đặc biệt quan trọng là yêu cầu: đỉnh tự tương quan phải nhọn (đạt cực đại tại một điểm) khi đồng bộ (dịch thời = 0) và phải đạt cực tiểu tại các điểm khác ( khi dịch thời khác 0 và khi xét mối tương quan giữa các mã khác nhau ở mọi thời điểm) Một loại mã đáp ứng được yêu cầu này là mã Gold, cấu trúc của bộ mã này được trình bày trong hình 2.3, đây cũng chính là cấu trúc bộ mã ngẫu nhiên được sử dụng ở đường xuống của W-CDMA Các chuỗi mã này có chu kỳ bằng hàm mũ 2n (n≥ 3), trong đó các số 0 sẽ được thay bằng các số "-1" và được gọi là các mã Gold trực giao Có một loại mã khác cũng là mã trực giao đó là mã Walsh, mã này được tạo ra bởi các ma trận Hadamard ( tham khảo tài liệu công nghệ CDMA của dự án JICA-PTTC1 ) Số các từ mã Walsh và các từ mã Gold trực giao bằng với độ dài của mỗi từ mã và bằng với hệ số trải phổ (SF) của loại mã đó

Do đó, số các mã trải phổ có thể được sử dụng trong một ô sẽ bị giới hạn và không thể

mở rộng dung lượng hệ thống Để có thể sử dụng cùng các chuỗi mã trực giao lặp lại trong mỗi ô, hai lớp mã trải phổ được sử dụng bằng việc kết hợp trải phổ bằng các mã trực giao với trải phổ bằng các mã ngẫu nhiên (có độ dài lớn hơn)

Để lấy ra được các số liệu tin tức, thuê di động đích cần thực hiện việc đồng bộ

mã trải phổ với hai quá trình là tìm nhận và bám đồng bộ, trong đó quá trình bám đồng

bộ duy trì định thời đồng bộ trong khoảng ± 1 chip so với đồng bộ tìm nhận được Bộ giải trải phổ có thể là một bộ tương quan trượt Trong W-CDMA, bộ tương quan trượt thường được sử dụng, trong khi MF thường được sử dụng trong bước đầu tiên của quá trình tìm nhận ô ba bước được đề cập ở phần 2.2.2 Để bám đồng bộ, vòng khoá trễ (DLL) thường được sử dụng, trong đó việc xác định lỗi định thời ( đường cong S) theo tham chiếu tới đỉnh tương quan được thực hiện bằng cách dịch định thời đồng bộ của các mã trải phổ bằng ± Δ( thông thường, Δ = 1/2 độ dài chip) và điều chỉnh định thời của bản sao mã trải phổ để giảm thiểu lỗi định thời Trong môi trường thông tin di động

đa đường, công suất thu và thời gian trễ thay đổi rất khác nhau trong mỗi đường truyền

ở môi trường như vậy, việc tìm nhận đường truyền thường dựa trên thông tin về độ trễ công suất tín hiệu

2.1.3 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến

a Các chức năng phần phát

Các chức năng của phần phát được mô tả dưới đây Sau khi mã hoá, gắn các mã sửa lỗi và xử lý đan xen, tín hiệu thoại vỡà số liệu được điều chế ở phần trải phổ Sau đó tín hiệu được điều chế trực giao và gửi đi trên sóng mang phát đến máy phát vô tuyến

Hình 2.2 Các chức năng phần phát trong hệ thống DS-CDMA

b Các chức năng phần thu

Tín hiệu thu được giải điều chế trực giao sau khi biến đổi tần số và loại bỏ tạp

âm Tiếp theo, tín hiệu thu được đưa đến phần xử lý tổng hợp quét (rake synthesizing), sửa lỗi và giải xen kẽ, sau đó đến phần giải mã kênh để thu lại tín hiệu ban đầu

Hình 2.3 Các chức năng phần thu trong hệ thống DS-CDMA

2.1.4 Ứng dụng các ưu điểm của công nghệ W-CDMA trong các hệ thống di

động

a Điều chỉnh công suất phát (TPC)

Hệ thống W-CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều, chiều đi (từ BS tới máy di động ) và chiều về ( từ máy di động tới BS ) để nâng cao dung lượng, đảm bảo dịch vụ thoại chất lượng cao và các lợi ích khác Mục đích của việc điều khiển công suất phát ở máy di động là điều khiển công suất phát sao cho tín hiệu phát của tất

cả các máy di động trong cùng một vùng phục vụ có thể được thu với một cường độ

Điều chế trực giao

Kết hợp tín hiệu thu rake Sửa lỗi đan xen

Giải

mã kênh

Giải điều chế trực giao

(công suất) danh định tại máy thu của BS Khi công suất phát của tất cả các máy di động trong vùng phục vụ được điều khiển như vậy thì tổng công suất thu tại máy thu của BS bằng công suất thu danh định nhân với số máy di động

Cần phải tối ưu hoá các lợi ích của hệ thống W-CDMA bằng cách tăng số lượng các cuộc gọi đồng thời trong một băng tần cho trước Dung lượng hệ thống được tăng lên tối đa khi tín hiệu phát của máy di động được thu bởi BS có tỷ số tín hiệu trên nhiễu

ở mức yêu cầu tối thiểu nhờ việc điều khiển công suất phát ở máy di động Chất lượng thông tin của máy di động sẽ giảm nếu tín hiệu của máy di động được thu bởi BS quá yếu Nếu tín hiệu của máy di động quá khoẻ thì chất lượng thông tin của máy di động sẽ được cải thiện nhưng nhiễu tới các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của các thuê bao khác sẽ giảm nếu như dung lượng tối đa không giảm

b Khả năng tái sử dụng tần số

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống W-CDMA Tổng lượng nhiễu trong tín hiệu của máy di động thu nhận từ BS là tổng lượng nhiễu gây ra bởi các máy di động khác trong cùng BS và lượng nhiễu gây ra bởi các máy di động ở các BS lân cận Nói cách khác, mỗi tín hiệu của một máy di động gây nhiễu tới tất cả các tín hiệu của các máy di động khác Tổng lượng nhiễu từ tất cả các máy di động trong các BS lân cận thì bằng một nửa tổng lượng nhiễu từ các máy di động trong cùng một BS Hiệu suất tái sử dụng tần số của BS vô hướng là khoảng 65%

Hình 2.4 miêu tả nhiễu từ các BS lân cận theo % Lượng nhiễu từ mỗi BS trong vòng ngoại vi thứ nhất tương ứng với 6% tổng lượng nhiễu

Như vậy tổng lượng nhiễu từ vòng ngoại vi thứ nhất là 6 lần 6%, tức là 36 %, tổng lượng nhiễu do vòng thứ hai và các vòng ngoài là nhỏ hơn 4% Trong trường hợp anten BS có định hướng ( tức là anten séc tơ 120o ) được sử dụng thì lượng nhiễu trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát ít đi chỉ còn 1/3 số lượng máy di động trong một BS Do đó, dung lượng được cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần

Hình 2.4 Nhiễu từ các BS lân cận

c Cung cấp linh hoạt các dịch vụ với tốc độ truyền dẫn thay đổi

Nhờ các kỹ thuật điều chỉnh công suất phát (TPC) và mã hóa nguồn đa tốc độ mà

hệ thống W-CDMA có một sự tương quan linh hoạt giữa số thuê bao và cấp dịch vụ Ví

dụ, người sử dụng hệ thống có thể tăng tổng số kênh khả dụng nếu chấp nhận tỷ số lỗi bít cao Nhờ chức năng này mà có thể tránh được việc tắc nghẽn cuộc gọi do tắc nghẽn kênh trong khi chuyển giao

Trong hệ thống TDMA số và hệ thống tương tự thì cuộc gọi sẽ được ấn định tới đường truyền khác hoặc sẽ xảy ra tắc nghẽn cuộc gọi trong trường hợp tắc nghẽn kênh khi chuyển giao Nhưng trong hệ thống W-CDMA thì có thể thoả mãn thêm số cuộc gọi bằng cách chấp nhận tăng tỷ lệ lỗi bít cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành Hệ thống W-CDMA cũng sử dụng cấp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất lượng cao (tốc độ truyền dẫn cao ) theo giá thành dịch vụ và ấn định công suất (dung lượng ) cao hơn cho người

sử dụng dịch vụ cao cấp Có thể cung cấp thứ tự ưu tiên cao hơn khi chuyển giao cho người sử dụng dịch vụ cao cấp so với người sử dụng dịch vụ thông thường

d Thu hiệu quả các tín hiệu đa đường nhờ kỹ thuật thu RAKE

Các máy thu trong W-CDMA sử dụng kỹ thuật thu phân tập nhiều anten (thu RAKE) Trong kỹ thuật này, khối thu RAKE có bộ điều khiển đa đường để tách ra dạng sóng PN nhờ sử dụng các bộ tương quan song song Máy di động sử dụng ba bộ tương quan, còn

BS sử dụng bốn bộ tương quan Nhờ đó, khối thu RAKE sẽ tìm thu tín hiệu qua mỗi đường, tổ hợp và giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Hiện tượng pha đinh có thể xảy ra trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu Vì

vậy, tổ hợp của các tín hiệu thu được có độ tin cậy rất cao, vì khả năng xảy ra hiện tượng pha đinh đồng thời trong tất cả các tín hiệu thu là cực kỳ thấp

Nhiều bộ tách tương quan cho phép thông tin đồng thời với hai BS để quá trình chuyển giao mềm có sự tham gia (hỗ trợ) của máy di động có thể thực hiện được

e Chuyển giao mềm (phân tập trạm gốc) có sự tham gia của máy di động

Như miêu tả trong hình 2.5, cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia vào việc chuyển giao cuộc gọi đối với chuyển giao mềm

Việc chuyển giao cuộc gọi theo trình tự: BS ban đầu, cả hai BS và BS mới Lược

đồ này làm tối thiểu hoá sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho người sử dụng không nhận thấy trạng thái chuyển giao Như vậy, trong khi hệ thống tương tự và hệ thống TDMA

số chấp nhận hình thức chuyển giao " cắt trước khi nối " thì phương pháp chuyển giao mềm của hệ thống W-CDMA chọn hình thức " nối trước khi cắt"

Sau khi thiết lập cuộc gọi, máy di động tiếp tục tìm tín hiệu của BS lân cận để so sánh cường độ tín hiệu của ô lân cận với cường độ tín hiệu của ô đang sử dụng Nếu cường độ tín hiệu đạt tới một mức nhất định nào đó, tức là máy di động đã di chuyển sang vùng phục vụ của một BS mới và quá trình chuyển giao có thể bắt đầu Máy di động gửi bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cường độ tín hiệu và số hiệu của

BS mới Sau đó, MSC thiết lập một đường truyền mới giữa máy di động vỡ BS mới và bắt đầu quá trình chuyển giao trong khi vẫn giữ đường truyền ban đầu Trong trường hợp máy di động đang ở trong một vùng chuyển giao giữa hai BS thì cuộc gọi được trợ giúp bởi cả hai BS sao cho quá trình chuyển giao có thể được thực hiện mà không có hiện tượng "ping- pong" giữa chúng BS ban đầu ngừng trợ giúp cho cuộc gọi khi kết nối cuộc gọi với BS mới đã được thực hiện thành công

Hình 2.5 Đường truyền trong quá trình chuyển giao mềm

W-CDMA chiếm một độ rộng băng tần khoảng 5 MHz bằng cách ứng dụng công nghệ truy nhập vô tuyến DS-CDMA với các đặc tính đã đề cập ở trên Độ rộng bang tần lớn hơn tạo cho W-CDMA có khả năng phân chia và kết hợp các tín hiệu thu đã truyền lan qua các kênh pha đinh nhiều tia, giúp cải thiện chất lượng thu nhờ phân tập thời gian RAKE Chính nhờ băng thông rộng mỡ W-CDMA có thể cho phép một số lượng lớn các thuê bao thông tin ở tốc độ cao, ví dụ ở tốc độ 64 và 384 kbit/s (các thử nghiệm đã cho thấy truyền dẫn số liệu chất lượng cao ở tốc độ 2 Mbit/s cũng có thể thực hiện được với độ rộng băng tần 5 MHz ) Ngoài ra, còn nhiều lợi ích khác của băng thông rộng mà W-CDMA có thể khai thác cho các công nghệ truy nhập vô tuyến được trình bày dưới đây

2.2.1 Ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ

Cấu hình ô dị bộ cho phép hệ thống mở rộng liên tục và linh hoạt từ môi trường truyền lan ngoài trời đến trong nhà và không phải đòi hỏi một hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoặc bất cứ hệ thống đồng bộ ngoài nào Để xây dựng một hệ thống các ô dị bộ như vậy, W-CDMA phải sử dụng đến kỹ thuật ấn định mã trải phổ hai lớp Tức là, WCDMA thực hiện trải phổ kép sử dụng một mã ngắn có chu kỳ tương tác tương đương với độ dài ký hiệu ( được gọi là mã phân kênh trong 3 GPP vì mã ngắn được sử dụng để phân biệt mỗi kênh vật lý ở đường xuống) vỡ một mã ngẫu nhiên có chu kỳ tương tác

dài hơn độ dài ký hiệu Đối với mã phân kênh thì các mã trực giao như mã Walsh và mã Gold trực giao được ứng dụng Phương pháp ấn định mã hệ số trải phổ biến thiên trực giao (OVSF) cũng được chấp thuận để đảm bảo tính trực giao giữa các kênh với một SF khác nhau (tức là tốc độ ký hiệu) Hình 2.6 minh hoạ phương pháp tạo ra các mã OVSF Bắt đầu với Cch,1,0 = (1) (SF=1), các mã OVSF có thể được tạo ra một cách liên tục trong lớp kế tiếp ( tức là gấp đôi SF ) dựa vào quy luật cơ bản được biểu diễn bởi phương trình (2.2)

Hình 2.6 Phương pháp tạo mã OVSF

Ở lớp SF = k, số mã OVSF đã tạo ra là k và độ trực giao được duy trì giữa các

mã có tổng số bằng k Ngoài ra, tính trực giao có thể được đảm bảo ngay cả giữa hai mã OVSF trong các lớp khác nhau chỉ khi không mã nào được lấy ra từ mã khác ( tức là chúng có mối tương quan phân cấp trong cây mã) Ví dụ, tính trực giao luôn được duy trì giữa Cch,2,0 và Cch,4,2 không phụ thuộc vào mẫu ký hiệu của số liệu tin tức Khi mã

Cch,2,0 được ấn định, không một từ mã nào được tạo ra từ tầng thấp hơn của cây mã

Cch,2,0 có thể áp dụng được (đây là hạn chế của việc phân chia mã OVSF) Ở đường xuống, các tín hiệu phát trên các kênh từ BS đến MS là các tín hiệu truyền lan đa đường

và có thời gian truyền lan khác nhau do hiện tượng phản xạ bởi các công trình xây dựng, các tòa nhà v.v trên các đường truyền là khác nhau Các kênh vật lý chia sẻ cùng một đường truyền lan sẽ có cùng phương pháp điều chế pha và biên độ Vì thế việc

sử dụng các mã OVSF giữa các kênh ghép ( các kênh vật lý) chia sẻ chung một đường truyền tạo ra khả năng đảm bảo tính trực giao giữa các kênh ngay cả khi chúng không

có cùng SF ( tức là tốc độ ký hiệu) đến chừng nào chúng còn sử dụng cùng đường truyền lan Đây là một cách cực kỳ hiệu quả để đạt được các đặc tính thu chất lượng cao

Hình 2.7 cho thấy các đặc tính BER trung bình của MS ở đường xuống khi sử dụng các mã OVSF được tạo ra theo phương trình (2.2) làm các mã phân kênh Hình vẽ minh hoạ các đặc tính BER trung bình của một kênh đơn có SF = 8 ( tốc độ ký hiệu =

512 ks/s) và một kênh ghép tốc độ thấp có khả năng truyền dẫn với SF biến thiên bao gồm 8 kênh có SF = 64 ( tốc độ ký hiệu = 64 ks/s) trong mỗi kênh Kiểu truyền lan ở đây là kiểu hai tia (hai đường) có cùng công suất trung bình và chịu ảnh hưởng của pha đinh Rayleeeigh độc lập với nhau Hình vẽ cũng minh hoạ các thuộc tính của truyền dẫn

đa mã trực giao trên 16 kênh, trong đó SF = 64 và có thể biến thiên, công suất nhiễu là giống nhau đối với mỗi kênh Trong trường hợp SF biến thiên và truyền dẫn đa mã như

đã minh hoạ trong hình vẽ, khi nhiễu đa đường (nhiều tia) tăng thì Eb/N0 thu trung bình yêu cầu để đạt được BER trung bình = 10-3 cần phải tăng xấp xỉ 0,5 dB so với một kênh đơn ( Eb/N0 là tỷ số năng lượng bit trên tạp âm nền ) Tuy nhiên, các đặc tính của truyền dẫn SF biến thiên là rất giống với các đặc tính của truyền dẫn đa mã và hình vẽ cho thấy rằng tính trực giao được đảm bảo trong cùng đường truyền khi tốc độ truyền nhanh hơn gấp 8 lần ( SF= 8)

Việc ưu tiên sử dụng SF biến thiên giúp đạt được tỷ số công suất đỉnh/trung bình

ở phía phát thấp hơn so với phương pháp truyền đa mã và cũng tạo ra khả năng xây dựng một cấu hình máy thu RAKE một dãy tại đầu cuối thu Trong trường hợp truyền

số liệu tốc độ cao, khi đó không thể đạt được độ tin cậy ngay cả khi SF được giảm xuống đến 4 hoặc 8, lúc này phương pháp truyền dẫn đa mã sử dụng các kênh mã ghép của SF được ứng dụng Các phương pháp truyền dẫn SF biến thiên và truyền dẫn đa mã tạo cho W-CDMA khả năng truyền tin một cách linh hoạt trên một phạm vi rộng từ các thông tin tốc độ thấp (băng tần thoại ) đến thông tin tốc độ cao