6630300 damh1 mc cdma 121031211002 phpapp01

gshjs

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin

di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó Hơn nữa, so với hai phương pháp

đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm

Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng mang bằng giải thuật IFFT và FFT

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai

Nhiệm vụ của đề tài:

Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC-CDMA (Multicarrier – Code Division Multiple Access)

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục

TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG

KỸ THUẬT MC – CDMA

Lời nói đầu

1.2 Sự phát triển của Hệ thống thông tin di động 3

1.3 Kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng

đến chất lượng kênh truyền 5

1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5

1.3.2 Các dạng kênh truyền 6

a Kênh truyền chọn lọc tần số và Kênh truyền Fading phẳng 6

b Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 8

1.4 Các kỹ thuật đa truy nhập 9

1.4.2 FDMA : Đa truy nhập phân chia theo tần số 10

1.4.3 TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian 11

1.4.4 CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã 12

Chương 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA) 13

2.1 Giới thiệu 13

2.2 Kỹ thuật trải phổ 13

2.2.1 Giới thiệu chung

2.2.2 Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) 15

2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS) 16

2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS) 19

2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS) 22

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục

2.5 Điều khiển công suất 26

2.8 W – CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) 29

Chương 3: MC – CDMA (Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) 31

3.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 31

3.1.1 Giới thiệu 31

3.1.5 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 38

3.2.1 Giới thiệu 41 3.2.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 42

3.2.3 Máy phát và máy thu MC – CDMA theo mô hình 1 43

3.3 Ưu, khuyết điểm của hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC – CDMA 45

3.3.1 Ưu điểm 45 3.3.2 Khuyết điểm 45

Các chữ viết tắt 48 Tài liệu tham khảo 50

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ BÀO

Thay vì dùng các máy phát sóng vô tuyến công suất cực lớn để cung cấp các dịch vụ thông tin di động cho một lượng lớn users trong một vùng rộng lớn thì thông tin tế bào chia các vùng địa lý thành các ô (cell), mỗi ô sử dụng máy phát sóng công suất nhỏ hơn và các bộ điều khiển được gọi là trạm gốc (BS – Base Station) Các ô này kết hợp lại tạo thành mạng tế bào như hình 1.1

Các trạm gốc (BS) được điều khiển bởi Trung tâm chuyển mạch di động (MSC – Mobile Switching Center), các MSC này lại được điều khiển bởi Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN – Public Switched Telephone Network)

Hình 1.1 Hệ thống di động tế bào

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Trong hệ thống thông tin di động tế bào, tần số mà các máy di động sử dụng

là không cố định ở một kênh nào đó mà thay đổi tùy theo vị trí của user Mỗi ô được gán cho một nhóm tần số Vì vậy, các ô kế cận nhau sử dụng các nhóm tần số khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh Còn ở các ô cách xa một khoảng cách nhất định thì

có thể sử dụng lại nhóm tần số đó (Frequency Reuse) Nhờ vậy mà dung lượng của

hệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần

Điều này được minh hoạ trong hình 1.2

Ta nhận thấy cứ một nhóm 7 cells tần số được sử dụng lại Nhóm 7 cells này được gọi là 1 cluster

Ví dụ : cell thứ nhất (được đánh số 1) của cluster này sẽ sử dụng cùng tần số với cell 1 của cluster khác

Hình 1.2 Sử dụng lại tần số với cluster gồm 7 cells

Khi user di chuyển từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi thì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi để không làm gián đoạn cuộc gọi Quá trình này gọi là chuyển vùng (Handoff)

Những ưu điểm của Hệ thống thông tin di động tế bào:

+ Do sử dụng hiệu quả dải tần số mà dung lượng của hệ thống tăng rất nhiều + Chất lượng của hệ thống được cải thiện do khả năng chống nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference)

+ Tăng chất lượng truy cập và chuyển vùng giữa các cell

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thông tin di động đã phát triển qua các thế hệ khác nhau

Thế hệ thứ nhất – 1G :

+ Các hệ thống thông tin di động 1G được xây dựng từ những năm 80

Ví dụ: NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển

AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ + Dựa trên công nghệ analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access)

+ Cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại

+ Các hệ thống di động 1G được phát triển trong phạm vi Quốc gia, do đó không

có khả năng tương thích lẫn nhau

Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có một hệ thống thông tin di động toàn cầu Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời

Voice & Data

GSM, IS-95, PDC…

3 th Generation (3G)

(2000s) Digital

Voice, Internet, Media

W-CDMA , CDMA2000, IMT-2000…

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Thế hệ thứ hai – 2G :

+ Được phát triển ngay trong thập niên 90

+ Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access)

+ Theo quan điểm người sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp

+ Chưa thực hiện được hệ thống thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trường tồn tại một số hệ thống di động 2G như GSM (Global System for Mobile Communication), IS-95 (Interim Standard – 95), PDC (Personal Digital Celular) … Trong đó, GSM được sử dụng rộng rãi nhất

Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời với mục

tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới

+ Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ưu thế vượt trội của CDMA

+ Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau như thoại, Internet tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lượng cao, nhắn tin đa phương tiện (MMS) … + Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA …

Hệ thống di động 3G chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang, đã được tiến hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá Vì vậy, việc tìm hiểu về Hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC-CDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế

Con đường đi lên 3G của Việt Nam:

Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở Việt Nam là Mobifone, Vinaphone, S-Fone và Viettel Con đường đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều

đã có: các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000 Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm triển khai cho phù hợp

Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifone thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G Vào cuối năm nay, nhà cung cấp này dự định sẽ đưa ra dịch vụ 2,5G hay còn gọi là EDGE Trong khi đó, Vinaphone và Viettel vẫn đang sử dụng công nghệ thuộc thế hệ thứ 2 (2G)

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ CDMA Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cách chuẩn 3G CDMA 2000 1X Evdo một khoảng không xa Vì vậy, S-Fone sẽ có khả năng tiến nhanh hơn trên con đường hướng tới 3G

Mặc dù hiện nay đa số thuê bao di động ở nước ta chưa có nhiều nhu cầu gì khác hơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhưng theo tuyên bố của các nhà đầu tư thì đầu năm sau (2006), mạng 3G của Việt Nam sẽ được triển khai

(theo www.vtv.vn/vi-vn/VTV1/cuocsongso/2005/12/73939.vtv)

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ (reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được gọi chung là Fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến

1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:

a Hiệu ứng đa đường (Multipath)

Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ

và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight) Tín hiệu thu được tại máy thu là tổng của các thành phần này, là một tín hiệu phức tạp với biên

độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu

Hình 1.3 Hiệu ứng đa đường

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

b Hiệu ứng Doppler:

Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự di

chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến Khi sự chuyển động tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading)

c Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi … làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm (slow fading)

1.3.2 Các dạng kênh truyền:

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có

+ Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng

+ Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi chậm (Slow Channel))

a Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading Phẳng

(Frequency Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective

Channel)

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f0

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Hình 1.4a Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 <W)

Trên hình 1.4a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền

đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

Hình 1.4b Kênh truyền Fading phẳng (f 0 >W)

Ngược lại, trên hình 1.4b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

b Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel)

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản

xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời gian

Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

1.4 CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP (Multiple Access Techniques)

1.4.1 Giới thiệu chung

Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều users có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó

Chúng ta tưởng tượng dải băng tần sử dụng là một căn phòng lớn Khi đó:

FDMA: căn phòng lớn được chia thành nhiều phòng nhỏ, mỗi cặp đựơc cấp

một phòng để nói chuyện

TDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng lớn và thay phiên nhau nói

chuyện, mỗi cặp được nói chuyện trong một khoảng thời gian nhất định

CDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng và đồng thời nói chuyện, mỗi

cặp nói chuyện bằng một ngôn ngữ riêng Khi âm lượng của các cặp càng nhỏ thì số cặp có thể tồn tại trong phòng (mà không gây nhiễu lẫn nhau) càng lớn

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Kỹ thuật phân kênh theo tần số ra đời đầu tiên Với kỹ thuật này, mỗi user được

cấp một kênh (hay khoảng tần số) riêng như hình 1.5

Như vậy, trong FDMA, toàn bộ băng tần được chia thành những khoảng tần số khác nhau và những khoảng tần số này được ấn định cho từng user Không user nào được chia sẻ kênh của mình cho user khác ngay

cả khi nó không được sử dụng (kênh ở trạng thái rảnh)

Hình 1.5 Kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDMA)

Chính vì vậy, việc sử dụng tần số bị giới hạn và trở nên kém hiệu quả Tuy nhiên, do mỗi user truyền và nhận tín hiệu trên kênh riêng của mình nên những users trong cùng một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau ( trường hợp lý tưởng) Nhưng do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng, các khoảng tần số sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác Chình vì vậy có thể user ở tế bào A gây nhiễu cho một user ở tế bào B gần đó do hai người cùng sử dụng chung một khoảng tần số Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh CCI (co-channel interference)

Ưu điểm:

+ Băng thông của mỗi kênh là tương đối hẹp nên hạn chế được fading chọn lọc tần số

+ Các tính toán cho hệ thống sử dụng FDMA khá đơn giản

+ Việc đồng bộ là tương đối đơn giản

Khuyết điểm:

+ Mỗi user chỉ được cấp cho một khoảng tần số nhất định nên tốc độ bit tối đa trên một kênh là cố định và do đó, hệ thống FDMA không thích hợp với truyền dẫn số + Cần phải có khoảng băng tần bảo vệ để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh và để có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần số mong muốn

+ Cần bộ lọc băng hẹp tốt

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Kỹ thuật phân kênh theo thời gian được ra đời sau kỹ thuật phân chia theo tần

số với hiệu quả sử dụng kênh truyền cao hơn Với TDM, mỗi user có thể sử dụng toàn bộ băng tần nhưng trong một khoảng thời gian nhất định nào đó Vì vậy, các user khác nhau có thể truyền và nhận tin tức, từng người từng người một, trên cùng một khoảng băng tần nhưng tại những thời điểm khác nhau

Điều này được minh họa trong hình 1.6

Như vậy, về mặt lý thuyết, các users trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho Tuy nhiên, trong cùng một thời điểm cũng có thể có một user ở tế bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy nhập này cũng xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI

Hình 1.6 Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDMA)

Ưu điểm:

+ Thích hợp với truyền dẫn số do có thể linh động tốc độ bit cho các kênh

+ Không cần khoảng băng tần bảo vệ nên tiết kiệm được băng tần

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Mỗi user được gán cho một chuỗi mã xác định thuộc tập mã trực giao, và do đó tất cả các user

có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian như trong hình 1.7

Hình 1.7 Kỹ thuật phân kênh theo mã (CDMA)

Ưu điểm:

+ Sử dụng hiệu quả băng tần

+ Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không giới hạn số lượng user sử dụng

+ Giảm được ảnh hưởng của nhiễu đa đường

+ Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định được quy luật của chuỗi mã

sử dụng, do đó khó khôi phục được tín hiệu thu được

Khuyết điểm:

+ Chất lượng thông tin giảm khi số user tăng

+ Bị ảnh hưởng của hiện tượng gần – xa, do đó cần phải áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất một cách chính xác

+ Cần phải có sự đồng bộ mã trải phổ chính xác để thu đúng tín hiệu

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Để tìm hiểu về CDMA, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ

2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

2.2.1 Giới thiệu chung

Mục đích:

Làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không

mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên

để mã hoá bản tin Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin

Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên Mã này phải được thiết kế để có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin Bản tin được

mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ” Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện:

+ Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin

+ Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin

Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ:

+ Khả năng đa truy cập:

Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user,

nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn

+ Tính bảo mật thông tin cao:

Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền Do

đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức

+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường:

Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều

là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight) Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó

Các kỹ thuật trải phổ gồm ba nhóm chính:

Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp

Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số

Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

2.2.2 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên

(PRBS: Pseudo Random Binary Sequence)

Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm N D-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 2.1

Hình 2.1.Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khác nhau Có tối đa 2N – 1 trạng thái của N D-FF, loại bỏ trạng thái 00…0 vì nếu xuất hiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng không và các trạng thái sau đó đều bằng không Vì vậy, chiều dài cực đại của chuỗi là L = 2N – 1

Tính chất của chuỗi PRBS:

+ Số bit 0 và số bit 1 trong một chu kỳ chuỗi gần bằng nhau

+ Tương quan chéo giữa mã PRBS và phiên bản bị dịch theo thời gian của nó rất nhỏ

Trong một chu kỳ: Giá trị tương quan chéo của chuỗi là “ –1/L”

Giá trị tự tương quan của chuỗi là “1”

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Hình 2.2 Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS

2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp

(DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)

Nguyên lý cơ bản:

Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức

Hình 2.3.Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

[V]

twcos)t(g)t(dP2)t(

vDS−SS = S ⋅ ⋅ 0

Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb Như vậy:

g(t) , d(t) = +1 d(t).g(t) =

– g(t) , d(t) = –1

Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao Tần số này được gọi là tốc độ chip

Sau đó, chuỗi tích số d(t).g(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức:

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Hình 2.4 Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ

Tại máy thu, tín hiệu vDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên gr(t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu

Hình 2.5 Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp:

+ Có khả năng thực hiện đa truy cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát + Việc tạo ra các tín hiệu mã hoá tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ nhân

+ Việc tổng hợp tần số đơn giản do chỉ cần tạo một sóng mang

Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp:

+ Cặp máy phát – máy thu phải được đồng bộ chip Để thu đúng, sai số đồng bộ phải nhỏ hơn khoảng Tchip

+ Các máy phát gần máy thu có thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy phát ở xa (hiệu ứng gần – xa)

2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số

(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK, trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK

là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N -1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L như hình 2.6

Hình 2.6 Phổ của tín hiệu FH – SS

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Trong hệ thống trải phổ nhảy tần số, cứ sau một khoảng thời gian TH, tần số sóng mang nhảy đến một tần số khác Tốc độ nhảy tần fH có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ bit fb của tín hiệu thông tin

+ Nếu fH ≥ fb : trong khi máy phát phát một bit dữ liệu, có ít nhất một lần nhảy tần

số Và hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh (Hình 2.7)

Hình 2.7 Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần nhanh

+ Nếu fH < fb : sau mỗi lần nhảy tần, máy phát phát liên tiếp một số bit trước khi nhảy sang một tần số khác Và hệ thống được gọi là nhảy tần chậm (Hình 2.8)

Hình 2.8 Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần chậm

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền

Hình 2.9 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:

+ Dễ đồng bộ hơn hệ thống dùng kỹ thuật DS – SS do hệ thống FH – SS chấp nhận sai số đồng bộ trong khoảng thời gian TH >> Tchip trong hệ thống DS – SS

+ Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ Vì vậy

có thể tránh được hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc có thể đang phát ở các tần số khác nhau

+ Hệ thống FH – SS có thể sử dụng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu băng hẹp tốt hơn hệ thống DS – SS

Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:

+ Cần tạo bộ tổng hợp tần số phức tạp

+ Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sử dụng

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian

(TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum )

Trục thời gian được chia thành các khung (frame) Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot) Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ

sử dụng một trong k khe thời gian của khung Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần

Hình 2.10 Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian

Hình 2.11 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian:

+ Dễ thực hiện hơn so với kỹ thuật FH – SS do không cần tạo bộ tổng hợp tần số phức tạp

+ Hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn nhiều so với viêc sử dụng kỹ thuật TDM + Tránh được hiệu ứng gần – xa vì thời gian mà mỗi user truyền là độc lập, user ở gần trạm gốc không gây ảnh hưởng đến các user ở xa

Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian:

+ Trải phổ nhảy thời gian là một hình thức nén tín hiệu trên miền thời gian Chính vì vậy, độ rộng bit giảm, tốc độ bit tăng và do đó đòi hỏi kênh truyền phải truyền được tín hiệu tốc độ cao

+ Cần thực hiện đồng bộ tốt giữa máy phát và máy thu

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

B

A B

C A B

C

B C

A

B CB C A

Code A

A B

C A B C

tt

f

BC

B

A

Phổ dải nền Phổ tín hiệu sau trải phổ

Trải phổ

2.3 NGUYÊN LÝ CỦA KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA)

Trong hệ thống CDMA, mỗi user được gán cho một chuỗi mã xác định, và do

đó tất cả các user có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó (Hình 2.11) Ta có được kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo của các chuỗi mã trải phổ

Hình 2.12 Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA [13]

Trong hình 2.12, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ user A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã Khi đó, các tín hiệu nhận được từ các users không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu từ A (do tính tương quan chéo thấp), và do đó, ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễ dàng