Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu từ hệ thống vệ tinh tới hệ thống 3g

Ngoài ra, một lượng lớn lưu lượng thoại và dữ liệu cũng được truyền tải qua thông tin vệ tinh.Trong nhiều trường hợp, thông tin vệ tinh là giải pháp hiệu quả duy nhất: ví dụ như việc áp

Tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong Khoa “ Đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học” Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy các cô tham gia giảng dạy lớp cao học Điện tử Viễn Thông khóa 2006-2008 đã cung cấp kiến thức tạo tiền đề cho tôi thực hiện luận văn

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN VỆ TINH 2

1.3 PHÂN BỐ TẦN SỐ CHO CÁC HỆ THỐNG TTVT 4

1.4 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VỆ TINH 7

1.4.1 Dịch vụ di động của hệ thống GSO 9

1.4.1.1 Dịch vụ cho Bắc Mỹ 9

1.4.1.2 Dịch Vụ cho Châu Âu Bằng hệ thống Archimedes 11

1.4.2 Dịch vụ di động vệ tinh quỹ đạo không phải địa tĩnh (NGSO) 13

1.4.2.1 Dịch vụ vệ tinh di động LEO nhỏ 14

1.4.2.2 LEO lớn cho tiếng và số liệu 14

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 16

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TỚI HỆ THỐNG 3G 17

2.1 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG CDMA 17

2.1.1 Khái niệm về nhiễu 17

2.1.1.1 Khái niệm và phân loại nhiễu 17

2.1.1.2 Nhiễu cộng và nhiễu nhân - tỷ số tín hiệu/nhiễu 17

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ CDMA 19

2.1.2.1 Giới thiệu chung 19

2.1.2.2 Băng thông của tín hiệu trải phổ 21

2.1.2.3 Mã ngẫu nhiên 22

2.1.2.4 Mật độ phổ công suất 23

2.1.2.5 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 25

2.1.3 Nhiễu trong hệ thống CDMA 26

2.1.3.1 Với nhiễu tạp âm Gausse trắng cộng (AWGN), No 27

2.1.3.2 Nhiễu băng hẹp 27

2.2.1 Tổng quan 29

2.2.2 Phương pháp tính suy giảm vùng phủ sóng của hệ thống 3G do nhiễu 31

2.2.2.1 Tính toán hệ số tăng tạp âm nhiệt của đường lên CDMA 32

2.2.2.2 Tính toán hệ số suy giảm vùng phủ của 1 sector 34

2.2.2.3 Ảnh hưởng của nhiễu tới một site 3G có nhiều sector 36

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 39

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MỨC NHIỄU 40

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH MỨC NHIỄU TỪ HỆ THỐNG VỆ TINH VÀO TRẠM GỐC 3G 40

3.1.1 Thuật toán 40

3.1.2 Hệ số phân cách phân cực 44

3.1.3 Các hệ số suy hao khác 45

3.1.4 Tính toán độ tăng ích búp sóng phụ của anten trạm gốc 3G 45

3.2 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TỨC THỜI CỦA MỘT VỆ TINH PHI ĐỊA TĨNH TRONG KHÔNG GIAN 46

3.2.1 Ba định luật Kepler 46

3.2.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh 49

3.2.3 Xác định vị trí của vệ tinh trong không gian 52

3.2.3.1 Xác định toạ độ vệ tinh 52

3.2.3.2 Xác định ly giác của nút lên u(t) theo thời gian 56

3.2.4 Xác định góc ngẩng và góc phương vị 60

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 62

CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VỚI ĐIỀU KIỆN Ở VIỆT NAM 63

4.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG N-SAT-HEO CỦA NHẬT BẢN 63

4.1.1 Cấu hình hệ thống 63

4.1.2 Các tham số hệ thống 65

4.1.2.1 Băng Tần 65

4.1.2.2 Phân cực 65

4.1.2.6 Angten vệ tinh 66

4.2 SƠ LƯỢC VỀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 (3G) 67

4.2.1 Các dịch vụ cơ bản của 3G 67

4.2.2 Các giao diện vô tuyến của 3G 68

4.2.2.1 Tiêu chuẩn CDMA băng rộng (wide band CDMA-WCDMA) 68

4.2.2.2 Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA-2000) 69

4.2.2.3 Tiêu chuẩn CDMA song công theo thời gian (CDMA TDD) 69

4.2.2.4 Tiêu chuẩn TDMA sóng mang đơn (TDMA single Carrier) 70

4.2.2.5 Tiêu chuẩn FDMA/TDMA 70

4.2.2.6 Lộ trình nâng cấp lên 3G của Việt Nam 71

4.2.3 Các loại cell 71

4.2.4 Băng Tần 72

4.3 XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VỚI ĐIỀU KIỆN Ở VIỆT NAM 72

4.3.1 Các tham số sử dụng 73

4.3.1.1 Tham số về vệ tinh 74

4.3.1.2 Hệ thống 3G 75

4.3.1.3 Phần chương trình 76

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 78

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 79

5.1 KẾT QUẢ CHO CÁC TRẠM BTS CỤ THỂ 79

5.2 KẾT LUẬN CHUNG 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 1: MÃ CHƯƠNG TRÌNH VB 82

TÓM TẮT LUẬN VĂN 98

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

BR Bureau Radiocommunication Văn phòng thông tin vô tuyến

của ITU BSS Broadcasting Satellite Service Nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh CATV Cable Television Truyền hình cáp

DTH Direct to home Dịch vụ truyền hình vệ tinh thu

trực tiếp tại hộ gia đình EIRP Equivelent Isotropic Radiation

Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

FSS Fixed Satellite Service Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh HEO High Earth Orbit Quỹ đạo tầm cao

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao ISS Inter-Satellite Service Nghệp vụ liên vệ tinh

ITU International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo tầm thấp

LHCP Left Hand Circular Polazization Phân cực tròn trái

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNB Low Noise Block Khối tạp âm thấp

LNC Low Noise Converter Bộ chuyển đổi tạp âm thấp

MSS Mobile Satellite Service Nghiệp vụ di động qua vệ tinh OBP On-Board Processing Xử l í trên trạm

PFD Power Flux Density Mật độ thông lượng công suất

PP Plenipotentiary Hội nghị toàn quyền của ITU RHCP Right Hand Circular Polarization Phân cực tròn phải

RoP Rules of Procedues Quy định về các thủ tục thực

hiện

RR Radio Regulation Thể Lệ vô tuyến điện

RRB Radio Regulation Board Uỷ ban thể lệ vô tuyến điện

TVRO Television Receive Only Trạm mặt đất chỉ thu tín hiệu vệ

tinh UPC Up-link Power Control Điều khiển công suất phát lên VSAT Very Small Aperture Terminal Trạm có góc mở nhỏ

WRC World Radiocommunication

Conferece

Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới

Hình 1.1: Vệ tinh hai băng tần AMSC 11

Hình 1.2: a) Các quỹ đạo vệ tinh Molnya; b) Cấu hình hệ thống thông tin di động vệ tinh ASMC và Archimedes 12

Hình 1.3: Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin LEO/MEO 13

Hình 1.4: Cấu trúc vệ tinh Globalstar 16

Hình 2.1: Chuỗi PN với chu kỳ N = 15 23

Hình 2.2: Phổ công suất trong hệ thống DSSS-BPSK 24

Hình 2.3: Biến thiên của hệ số tăng tạp âm đường lên và Data throughtput 33 Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiễu tới cell có 3 sector 36

Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiễu tới trạm gốc đối với ni=0.5, 1, và 2dB 38

Hình 3.1: Các tiêu điểm F1, F2, bán trục chính a và bán trục phụ b 47

Hình 3.2: Định luật Kepler thứ 2 48

Hình 3.3: Các tham số quỹ đạo: độ cao viễn điểm ha, cận điểm hp, góc nghiêng i và đường nối các điểm cực 49

Hình 3.4: Quỹ đạo thuận và quỹ đạo ngược hướng 50

Hình 3.5: Tam giác cầu ABC 53

Hình 3.6: Xác định toạ độ vệ tinh 54

Hình 4.1: Hệ thống Vệ tinh N-SAT-HEO 64

Hình 4.2: Lộ trình nâng cấp lên 3G 71

Hình 4.3: Giao diện chương trình 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các Kí hiệu băng tần 6

Bảng 2.1: Các tham số đường lên của hệ thống 3G 33

Bảng 2.2: Số lượng người sử dụng gây ra hệ số tăng tạp âm 34

Bảng 2.3: Sự suy giảm vùng phủ sóng theo các giá trị Isat/Nth 38

Bảng 4.1: Các tham số của vệ tinh 74

Bảng 4.2: Tham số hệ thống 3G 75

Bảng 4.3: Tọa độ các BTS 76

Bảng 5.1: Hệ số suy giảm vùng phủ sóng với các mức pfd khác nhau 79

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 GIỚI THIỆU

Thông tin vệ tinh đã trở thành một phần không thể thiếu của mạng viễn thông toàn cầu Một điều dễ dàng có thể nhìn thấy được sự phổ biến của thông tin vệ tinh là ngày càng nhiều gia đình lắp đặt chảo anten parabol để thu tín hiệu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh Ngoài ra, một lượng lớn lưu lượng thoại và dữ liệu cũng được truyền tải qua thông tin vệ tinh.Trong nhiều trường hợp, thông tin vệ tinh là giải pháp hiệu quả duy nhất: ví dụ như việc áp dụng

hệ thống VSAT IP để triền khai mạng điện thoại đến hầu hết các xã vùng sâu vùng xa tại nước ta; việc sử dụng thông tin vệ tinh làm hệ thống dự phòng cho

hệ thống cáp quang biển khi có sự cố; hay trong các tình huống tìm kiếm cứu nạn khi có thiên tai lũ lụt, tai nạn máy bay, tàu biển…

Xu hướng phát triển của thông tin vệ tinh và ngay những đặc tính riêng biệt của nó mà những phương tiện truyền thông khác không có: vùng phục vụ rộng lớn, khả năng đa truy nhập và tính linh hoạt trong việc thiết lập đường truyền

Thông tin vệ sinh có thể cung cấp dịch vụ trên một vùng rộng lớn trên

bề mặt trái đất, kết nối cùng lúc nhiều khách hàng, cụm dân cư ở những vùng địa lý khác nhau không kể đó là vùng núi cao, rừng sâu hay hải đảo, điều mà không thể thực hiện được bởi các phương tiện truyền thông khác.Khả năng đa truy cập thể hiện trong việc quảng bá và phân tán các file dữ liệu từ một điểm tới nhiều điểm trên thế giới tại cùng một điểm Khả năng triển khai nhanh và linh hoạt trong việc thiết lập đường truyền bằng việc lắp đặt một trạm mặt đất thu phát.Ngoài ra, khách hàng có thể tự do di chuyển trạm thu phát trong vùng dịch vụ của vệ tinh mà khách hàng đã đăng ký khai thác sử dụng mà không phải mất thêm chi phí…

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN VỆ TINH

Lịch sử đã thay đổi vào ngày 4/10/1957 khi Liên xô phóng thành công

vệ tinh Sputnik -1 lên quỹ đạo Đây là vệ tinh nhân tạo đầu tiên trên thế giới với kích thước bằng một quả bóng rổ, nặng 183 pounds và chỉ mất 98 phút để đưa nó lên quỹ đạo (Vệ tinh Sputnik-1 chỉ tồn tại trên quỹ đạo trong vòng 3 tháng Vệ tính Sputnik – 2 được phóng lên sau vệ tinh Sputnik – 1 đúng 1 tháng

Thành công của Sputnik- 1 đánh dấu một bước khởi đầu cho một chiến lược phát triển cả về chính trị, quân sự, công nghệ khoa học mới Đồng thời là điểm bắt đầu cho một cuộc chạy đua vũ trụ giữa Liên Xô và Mỹ

Ngay sau khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh Sputnik – 1, Mỹ đã đáp trả bằng việc phê chuẩn ngân sách đầu tư cho dự án vệ tính đầu tiên của

Mỹ mang tên chính thức là Satellite 1958 Alpha hay còn gọi là Explorer I

Vào ngày 31-1-1958, thế cuộc đã thay đổi khi Mỹ phóng thành công vệ tinh Expolorer I với sứ mệnh khám phá vành đai bức xạ từ trường bao quanh trái đất Chương trình Explorer tiếp tục thành công với một loạt các vệ tinh khoa học cỡ nhỏ

Việc phóng thành công vệ tinh Sputnik – I cũng có tác động lớn đến việc Mỹ thành lập Cơ quan không gian và hàng không quốc gia, gọi tắt là NASA vào ngày 1-10-1958

Riêng trong năm 1958, cả Liên Xô và Mỹ đã phóng tổng cộng 6 vệ tinh, Trong năm 1959 là 14 vệ tinh, năm 1960 là 19 vệ tinh và năm 1961 là 35

vệ tinh Vào năm 1962, Anh và Canada hợp tác phóng thành công vệ tinh của riêng mình cùng với 70 vệ tinh của Liên Xô và Mỹ

Ngày 12-8-1960, Mỹ phóng vệ tinh khí cầu Echo 1, đây là vệ tinh phản

xạ thụ động, không có chức năng khuếch đại

Năm 1960, thử nghiệm thông tin chuyển mạch tích cực sử dụng các bộ khuếch đại công suất đặt ở vệ tinh Courier-1B Mỹ ở độ cao 1000 km hoạt động ở tần số 2 GHz

Năm 1962, phóng thành công vệ tinh TELSTAR-1 (USA/AT/T) vào tháng 6 và vệ tinh Relay – 1(USA/NASA) tháng 10 Cả hai vệ tinh được đưa lên quỹ đạo phi địa tĩnh hoạt động ở các băng tần 6/4 GHz

Năm 1963, thể lệ thông tin vệ tinh Quốc tế lần đầu tiên ra đời tại Hội nghị vô tuyến bất thường của ITU về dùng chung giữa các nghiệp vụ không gian và mặt đất

Năm 1964, Thành lập tổ chức INTELSAL với 19 nước thành viên Đến năm 1997, INTELSAL có tổng cộng 19 vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo

Năm 1965, Phóng vệ tinh EARLY BIRD (INTELSAT -1), vệ tinh thông tin địa tĩnh thương mại đầu tiên mang 240 mạch điện thoại và 1 kênh

TV liên lạc giữa các nước Anh, Pháp, Đức và Mỹ

Năm 1971, Thành lập tổ chức INTERSPUTNIK, bao gồm Liên bang

Xô Viết và 9 nước khác tham gia

Năm 1974, Pháp và Đức hợp tác phóng thành công vệ tinh SYMPHONE, đây là vệ tinh thông tin địa tĩnh đầu tiên sử dụng khung ổn định 3 trục

Năm 1976, Phóng vệ tinh thông tin hàng hải đầu tiên là MARISAT Cũng trong năm này, vệ tinh quốc gia đầu tiên của Indonexia là PALAPA-1 được phóng lên thành công

Năm 1977, thành lập tổ chức EUTELSAT với 17 nước thành viên Hội nghị vô tuyến vệ tinh quảng bá thế giới do ITU tổ chức ở Gênva (WARCSAT-77)

Năm 1978, Nhật Bản phóng vệ tinh quảng bá thử nghiệm sử dụng băng tần Ku 14/12 GHz Sau đó, cơ quan không gian Châu Âu Phóng vệ tinh OTS

là vệ tinh thông tin khu vực đầu tiên sử dụng băng 14/11 GHz

Năm 1979, Thành lập tổ chức INMARSAt có 26 nước tham gia ban đầu, Tổ chức thông tin vệ tinh hàng hải toàn cầu

Năm 1991, triển khai lần đầu tiên hệ thống kinh doanh vệ tinh dựa trên

cơ sở các trạm mặt đất thu dữ liệu góc mở nhỏ VSAT

Năm 1983, Nhật Bản phóng vệ tinh CS-2, vệ tinh thông tin nội địa đầu tiên hoạt động ở băng tần Ka 30/20 GHz

Năm 1984, Trung Quốc phóng vệ tinh thông tin đầu tiên của mình là STW1

Năm 1985, Hội nghị vô tuyến hành chính thế giới do ITU tổ chức phiên đầu tiên về sử dụng quỹ đạo địa tĩnh Phiên thứ 2 được tổ chức tiếp theo vào năm 1988

Năm 2000, vệ tinh INTELSAT thế hệ IX được phóng lên quỹ đạo

Năm 2003, Hongkong phóng vệ tinh khu vực AP STAR V có 50 bộ phát đáp

Năm 2005, Thái Lan phóng vệ tinh IPSTAR gồm toàn bộ các bộ phát đáp băng tần Ku spot-beam cung cấp dịch vụ băng rộng qua vệ tinh

Tháng 4/2006, Nhật Bản phóng vệ tinh JCSAT -9 gồm 40 bộ phát đáp (20 C band và 20 Ku band) tại vị trí 1320E Vị trí này trùng với vị trí mà vệ tinh viễn thông đầu tiên của Việt Nam được phóng lên

Tháng 8/2006, Vệ tinh thương mại ICSAT -10(1280E,30 Ku và 12C transponders) của Nhật Bản và vệ tinh quân sự Syracuse 3B (50 W) của Pháp được phóng chung lên quỹ đạo bởi một tên lửa đẩy Arane 5GS

1.3 PHÂN BỐ TẦN SỐ CHO CÁC HỆ THỐNG TTVT

Việc phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là quá trình phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch, việc phân bố tần số được thực hiện dưới sự bảo trợ của liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU) để thuận lợi cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới chia thành ba vùng:

Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô và Mông Cổ

Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây Nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau

ở các vùng khác nhau Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp gồm:

Băng Ku là băng nằm dưới băng K còn băng Ka là băng nằm trên K

Ku là băng hiện nay sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nó cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băng này Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo hàng Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong đó con số viết trước là tần số đường lên Đối với các dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là từ 12 đến 14 GHz và được ký hiệu 14/12 GHz

1.4 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VỆ TINH

Thông tin di động vệ tinh trong mười năm gần đây đã trải qua những biến đổi cách mạng bắt đầu từ hệ thống thông tin di động vệ tinh hằng hải (INMARSAT) với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (GSO) Năm 1996 INMARSAT phóng 3 trong số năm vệ tinh của INMARSAT 3 để tạo ra các chùm búp hẹp chiếu xạ toàn cầu Trái đất được chia thành các vùng rộng lớn được phục vụ bởi các chùm búp hẹp này Với cùng một công suất phát các chùm búp hẹp tạo ra được EIRP lớn hơn nhiều so với các chùm búp toàn cầu Nhờ vậy việc thiết kế đầu cuối mặt đất sẽ đơn giản hơn, vì đầu cuối mặt đất sẽ nhìn thấy anten vệ tinh với tỷ số giữa hệ số khuyếch đại anten và nhiệt độ tạp

âm hệ thống (G/Ts) lớn hơn và EIRP đường xuống lớn hơn Người ta dự định

có thể sử dụng thiết bị đầu cuối mặt đất với kích thước sổ tay Hiện nay các vệ tinh ở GSO cho phép các thiết bị di động mặt đất trên ô tô hoặc kích cỡ va li Với EIRP từ vệ tinh đủ lớn, các máy di động có thể sử dụng anten có kích thước trung bình cho dịch vụ thu số liệu và thoại Tuy nhiên vẫn chưa thể cung cấp dịch vụ cho các máy thu phát cầm tay

Để đảm bảo hoạt động ở vùng sóng vi ba thấp cho các bộ thu phát cầm tay ở hệ thống vệ tinh GSO cần có anten dù mở (hệ số khuyếch đại anten cao) đặt được bên trong thiết bị phóng và công suất phát bổ sung Chẳng hạn ở băng L (1 đến 2 GHz), kích thước anten có thể từ 10 đến 15m Sở dĩ cần như vậy vì máy thu phát cầm tay có công suất phát thấp (vài trăm mW) và hệ số khuyếch đại anten thấp (0 đến 3 dB) Công suất phát của máy cầm tay phụ thuộc vào acqui (và trọng lượng của nó), nhưng quan trọng hơn là an toàn cho người sử dụng Vì thế các vùng dưới mặt đất đòi hỏi mật độ thông lượng công suất đến anten cao hơn (đạt được nhờ EIRP cao) và tỷ số G/Ts ở vệ tinh cao (anten thu vệ tinh có hệ số khuyếch đại cao) để bắt được tín hiệu yếu từ máy phát của máy cầm tay

Một tổ chức GSO hiện nay có thể cung cấp dịch vụ cho các máy thu phát kích thước va li là: Hãng vệ tinh di động Mỹ (AMSC) sử dụng vệ tinh GSO đặt ở 101oW Vệ tinh này đảm bảo dịch vụ cho thông tin của người sử dụng ở băng L và sử dụng băng Ku (11 đến 18 GHz) để giao diện với trạm của mặt đất nơi kết nối với mạng PSTN

Tất cả các vệ tinh di động cung cấp dịch vụ tiếng phụ thuộc vào anten trạm mặt đất có tính hướng (G>10dB) Có thể sử dụng các anten có khuyếch đại thấp hơn nhưng chỉ có thể cung cấp dịch vụ cho tốc độ số liệu thấp hoặc nhắn tin (phi thoại)

Hiện nay thông tin di động vệ tinh đang chuyển sang dịch vụ thông tin

di động cá nhân (PCS) với các máy thu phát cầm tay Đối với các ứng dụng này vệ tinh phải có quỹ đạo thấp (LEO) (độ cao vào khoảng 1000 km) và quỹ đạo trung MEO (độ cao khoảng 10.000 km) Các vệ tinh này sử dụng các chùm búp hẹp chiếu xạ mặt đất để tạo thành cấu trúc tổ ong giống như các hệ thống tổ ong mặt đất Tuy nhiên do vệ tinh bay nên các chùm búp này di động

và cơ bản trạm di động có thể coi là dừng với các trùm búp hẹp (tổ ong) chuyển động khá nhanh

Cũng có thể lập trình các búp hẹp này để quét sóng các vùng phục vụ mặt đất và duy trì vùng chiếu cố định như hệ thống tổ ong Tuy nhiên điều này đòi hỏi các anten phức tạp hơn, chẳng hạn dàn chỉnh pha hay anten quét

cơ khí và điều khiển độ cao quỹ đạo vệ tinh

Một số hãng đang đưa ra các đề án LEO và MEO để cung cấp cả dịch

vụ truyền số liệu và tiếng Chủ yếu các dịch vụ số liệu được cung cấp bởi các

hệ thống vệ tinh LEO nhỏ, còn cả hai dịch vụ số liệu và tiếng được cung cấp các hệ thống LEO lớn Nói chung các vệ tinh của LEO lớn phức tạp (và đắt tiền) hơn

1.4.1 Dịch vụ di động của hệ thống GSO

1.4.1.1 Dịch vụ cho Bắc Mỹ

Ứng dụng đầu tiên của hệ thống GSO để cung cấp dịch vụ di động vệ tinh được thực hiện khi MARISAT được đưa vào hoạt động Công nghiệp dịch vụ di động vệ tinh đã ra đời từ chương trình của US Navy nhằm cung cấp thông tin cho tầu cập bờ bằng cách sử dụng ba kênh UHF Ngoài UHF, Comsat (INMARSAT ) cũng thuê cách kênh L sử dụng anten xoắn để đảm bảo dịch vụ thương mại Tiếp theo là sự ra đời của MARECS, IVMCS và INMARSAT, nhưng MARISAT vẫn tiếp tục hoạt động Phát triển cao nhất là trùm vệ tinh của INMARSAT-3 đảm bảo các búp toàn cầu và búp hẹp Tất cả các hệ thống nói trên chủ yếu cung cấp dịch vụ cho thông tin hàng hải, tuy nhiên hiện nay INMARSAT cung cấp cả dịch vụ thông tin di động cho đất liền và hàng không Đường dịch vụ của các hệ thống này sử dụng băng L, còn đường tiếp sóng sử dụng băng C Các hệ thống này không cung cấp được dịch

vụ cho các máy cầm tay Comsat đã phát triển đầu cuối xách tay có tên gọi là Planet 1 để sử dụng dịch vụ cho INMARSAT-3 cung cấp Các búp hẹp tạo ra EIRP và G/Ts đủ lớn để thông tin với máy xách tay

Để tiếp tục phát triển thông tin di động vệ tinh, năm 1985 FCC cho phép Côngxoocxiom của các hãng cung cấp dịch vụ cho Mỹ Tập đoàn vệ tinh di động Mỹ AMSC nhận được cấp phép này Hệ thống vệ tinh này được đặt tên là AMSC Hệ thống có thể cung cấp: dịch vụ thông tin di động vệ tinh mặt đất (LMSS), dịch vụ thông tin di động vệ tinh hàng không (AMSS) và dịch vụ thông tin di động vệ tinh hàng hải (MMSS) Hệ thống có thể cung cấp các dịch vụ thoại, số liệu và Fax cho máy xách tay, đặt trên ô tô hay các trạm

cố định Dịch vụ này có tên là ô tô trên trời (Skycell) Dịch vụ tổ ong (cho máy cầm tay) có thể nhận được nhờ khai thác song mốt ở vùng có hệ thống thông tin di động tổ ong mặt đất AMSC không đủ mạnh để cung cấp dịch vụ

cho máy cầm tay, vì anten mặt đất phải có khuyếch đại khoảng 10 dB để đạt được dịch vụ tiếng tin cậy Tháng 4/ 1995 vệ tinh AMSC được phóng và đưa vào phục vụ vào tháng sau đó AMSC-1 được đặt ở kinh độ 101oW FCC cho phép AMSC phóng ba vệ tinh

Hãng di động Telesat của Canada đã thỏa thuận liên doanh để phóng vệ tinh (MSAT) Vệ tinh này đã được phóng và đặt ở kinh độ 106oW

Tần số công tác của đường dịch vụ của AMSC-1 là: 1530-1559 MHz cho đường xuống và 1631,5-1660 MHz cho đường lên Tần số cho đường tiếp sóng là: băng 13 GHz cho đường xuống và băng 10 GHz cho đường lên Vệ tinh hoạt động như ống cong “bent pipe” (hai trạm mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong lúc liên lạc) và không có xử lý trên vệ tinh Đầu cuối của người sử dụng làm việc ở băng L Quá trình định tuyến tín hiệu đến từ vệ tinh được cho

ở hình 1.1 Hai anten dù mở được sử dụng kết nối thông tin giữa hai người sử dụng Anten siêu cao tần (SHF) cho búp sóng được định dạng để phủ sóng hầu hết Bắc Mỹ Không có đường nối trực tiếp băng L giữa hai người sử dụng Để thực hiện cuộc gọi, người sử dụng phát tín hiệu đường lên băng L đến vệ tinh,

ở vệ tinh tín hiệu này chuyển đổi tần số được phát xuống ở tần số 13 GHz đến trung tâm điều khiển Trung tâm này ấn định cặp kênh cho phía khởi xướng và kết nối cuộc gọi sau khi kết nối được thực hiện, hai phía có thể thông tin với nhau Tín hiệu phía khởi xướng được phát lên vệ tinh, sau đó từ vệ tinh phát xuống đến trạm cổng và từ trạm này nó được phát lên đến vệ tinh Tại đây nó được chuyển vào băng L và phát đến trạm kết cuối Nếu phía kết cuối không phải là máy di động, trạm cổng kết nối cuộc gọi đến PSTN nột hạt

Hình 1.1 Vệ tinh hai băng tần AMSC

Sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh được giải phóng Thực chất thông tin ở đây được thực hiện hai chặng và không có kết nối trực tiếp băng L Thuật ngữ

kỹ thuật được sử dụng trong trường hợp này là: không đấu nối băng L với băng L ở vệ tinh Trước hết AMSC sử dụng các đầu cuối hai chế độ vệ tinh/tổ ong Nếu máy di động không thể kết nối đến hệ thống tổ ong mặt đất, cuộc gọi được định tuyến qua chế độ vệ tinh

1.4.1.2 Dịch Vụ cho Châu Âu Bằng hệ thống Archimedes

Hãng hàng không vũ trụ châu Âu đã đề xuất sử dụng vệ tinh tia chớp

“Molnya” quỹ đạo elip ở điểm cực viễn để đảm bảo dịch vụ tiếng bằng đầu cuối kích thước vali cho châu Âu Sử dụng dạng quỹ đạo này có hai cái lợi

Nó cho phép góc ngẩng búp anten cao hơn (khoảng 70o), nhờ thế giảm phađinh nhiều tia xẩy ra khi sử dụng góc ngẩng thấp và che tối của các vật cản Ngoài ra anten của người sử dụng không cần thiết phải vô hướng vì vệ tinh được nhìn thấy trong thời gian dài ở vùng cực viễn Hai yếu tố này (góc ngẩng cao và định hướng anten tăng) cho phép giảm quỹ đường truyền, nhờ

vậy tiết kiệm đáng kể công suất vệ tinh Chùm vệ tinh trong trường hợp này

sử dụng bốn vệ tinh với mỗi vệ tinh ở quỹ đạo Molnia, nút lên cách nhau 90o

và góc nghiêng 63,4o Các vệ tinh được định pha ở xung quanh điểm cực viễn tại các thời điểm khác nhau để có thể phủ được toàn châu Âu trong 24 giờ Với chu kỳ quay 12h, hai cực viễn xẩy ra ở bán cầu bắc, nhưng chỉ điểm trên châu Âu là được tích cực Điểm cực viễn được nhìn thấy trong khoảng thời gian từ 6 đến 8 giờ, trong khoảng thời gian này các vệ tinh được tích cực Cấu hình của hệ thống vệ tinh này được cho ở hình 1.2a

Hình 1.2 a) Các quỹ đạo vệ tinh Molnya; b) Cấu hình hệ thống thông tin di

động vệ tinh ASMC và Archimedes

Anten trên mỗi vệ tinh (ở khoảng thời gian gần điểm cực viễn) sẽ chiếu

xạ châu Âu bằng 6 búp Lưu ý rằng trong khoảng thời gian này cự ly đến trạm mặt đất sẽ thay đổi vì thế mức tín hiệu thay đổi khoảng 4 dB Nếu không thay đổi chiếu xạ của búp anten (chẳng hạn giảm độ rộng của búp khi tiến đến gần điểm cực viễn) thì kích thước của vệt phủ cũng thay đổi Việc giảm độ rộng của búp cũng dẫn đến tăng hệ số khuyếch đại, điều này cần thiết vì cự ly đến trạm mặt đất tăng Hệ thống cung cấp dịch vụ ở băng L Mỗi vệ tinh đảm bảo cung cấp dịch vụ cho 3000 kênh thoại

Cấu hình của vệ tinh cho hệ thống ASMC và Archimedes giống nhau

và được cho ở hình 1.2b Cả hai hệ thống đều sử dụng bộ phát đáp “ống cong” nhờ vậy có thể sử dụng chúng cho mọi tiêu chuẩn điều chế và truy nhập

1.4.2 Dịch vụ di động vệ tinh quỹ đạo không phải địa tĩnh (NGSO)

Chìa khóa để phát triển dịch vụ thông tin di động là đảm bảo thông tin

cá nhân mọi nơi mọi chỗ cho các máy thu phát cầm tay với giá thành hợp lý Nhờ sự ra đời của phương pháp xử lý tín hiệu số mới và vi mạch tích hợp cao (MMIC, VLSI) điều này có thể thực hiện được Bước tiếp theo là tiến hành giao diện với cơ sở hạ tầng hiện có của thông tin di động tổ ong mặt đất Giao diện này cho phép khai thác song mốt vệ tinh – mặt đất Sự ra đời của các vệ tinh thông tin NGSO nhằm đạt được mục đích này Đây là các vệ tinh LEO (độ cao quỹ đạo 1000 km) và MEO (độ cao quỹ đạo 10.000 km) Hình 1.3 cho thấy cấu trúc điển hình của hệ thống thông tin vệ tinh LEO/MEO Ở các phần dưới đây ta sẽ xét các hệ thống thông tin di động vệ tinh LEO

Hình 1.3 Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin LEO/MEO

FFC cấp phép cho LEO nhỏ đợt một cho ba tổ chức sau: ORBCOMM (Orbital Sciences Corporation), Starsys Global Posisioning System (Starsys)

và VITA (Volunteer INMARSAT Technical Assistance) ORBCOMM đề xuất đặt chùm 36 vệ tinh vào 4 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 45o với tám vệ tinh trên từng quỹ đạo Ngoài ra cấu hình này còn có hai mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 79o và hai vệ tinh ở mỗi quỹ đạo ORBCOMM cũng đề nghị FCC cho phép thay đổi hệ thống bằng cách sử dụng 8 vệ tinh cho mỗi quỹ đạo nghiêng 70o

Starsys sẽ phóng 24 vệ tinh trong 6 mặt phẳng nghiêng 53o với 4 vệ tinh ở mỗi mặt phẳng VITA thử phóng một vệ tinh vào quỹ đạo nghiêng 88o, nhưng bị lạc mất vì sự cố phóng Hai vệ tinh đầu tiên của ORCOMM với tên gọi là Microstar được phóng vào tháng 4/1995 36 vệ tinh còn lại được phóng vào năm 1997

Năm 1994 FCC cấp phép đợt hai cho các LEO nhỏ

1.4.2.2 LEO lớn cho tiếng và số liệu

Vào đầu những năm 1990 sáu hãng của Mỹ làm đơn xin phép cung cấp thông tin cá nhân toàn cầu và liên tục Năm hãng sẽ khai thác ở các độ cao thấp hơn so với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh Các vệ tinh này được gọi là NGSO và được thiết kế để hoạt động ở quỹ đạo thấp (LEO) và trung (MEO) Hãng thứ sáu đề xuất khai thác hệ thống của mình ở độ cao địa tĩnh

Để đảm bảo dịch vụ liên tục các vệ tinh làm việc ở quỹ đạo thấp cần có chùm vệ tinh ở nhiều quỹ đạo, vì chúng chỉ xuất hiện trong trường nhìn ở một vài phần trăm thời gian của quỹ đạo Thông thường là 10 đến 15 phút cho LEO và 2 giờ cho MEO

Các vệ tinh này được thiết kế để đảm bảo dịch vụ tiếng, số liệu, Fax và thông tin định vị cho các máy thu phát cầm tay Không như các hệ thống tổ ong mặt đất các hệ thống vệ tinh này có thể cung cấp dịch vụ cho các vùng xa xôi và vùng biển khi cần thiết Vì thế hệ thống thông tin di động vệ tinh là hệ thống thông tin di động bổ xung cho hệ thống mặt đất và có thể cho phép làm việc song mốt Trong thực tế nhiều nhà cung cấp hệ thống vệ tinh thiết kế các máy cầm tay hoạt động song mốt và cũng giao tiếp cả với mạng điện thoại nội hạt trong vùng phục vụ

Năm 1995 FCC cấp phép cho ba hãng và để lại đơn của hai hãng chờ đến khi họ chứng minh được khả năng tài chính Ba hãng được cấp phép bao gồm: Motorola (Iridium), TWR (Odissey) và Loral/Qualcom (Globalstar) Băng tần dự kiến cho hoạt động của các hệ thống này là: 1610 MHz đến 1626 MHz đường lên và 2483 đến 2500 MHz đường xuống Các băng tần này thường được gọi là băng L và S Lưu ý rằng tất cả các dịch vụ đều được cung cấp ở băng tần cao hơn 1GHz, ICO Global (Intermediate Communication Global) là một chi nhánh của Inmarsat Globalstar, Iridium và CCI-Aries sử dụng LEO ở các độ cao thấp hơn 1500 km Odyssey và ICO Global sử dụng MEO ở độ cao vào khoảng 10.000 km Ellipso-Elippsat sử dụng ba quỹ đạo cho chùm của họ Hai quỹ đạo elip có góc nghiêng 63,5o và độ lệch tâm khoảng 0,35 Quỹ đạo thứ ba là quỹ đạo trong mặt phẳng xích đạo hoạt động

ở độ cao 7800 km Iridium thực hiện xử lý trên vệ tinh và cho phép nối chéo

vệ tinh để chuyển tiếp tiếng và số liệu đến các quỹ đạo khác hoặc đến vệ tinh lân cận Tất cả các vệ tinh đều sử dụng anten dàn phẳng (băng L hoặc băng S)

cho đường dịch vụ (búp hẹp) Các đường nuôi sử dụng anten loa ở băng Ka hoặc anten dàn ở băng C Cấu trúc vệ tinh Globalstar được cho ở hình 1.4

Hình 1.4 Cấu trúc vệ tinh Globalstar

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này đã trình bày lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh trải qua các giai đoạn, từ lúc phóng vệ tinh đầu tiên Trong chương này ta đã trình bày tổng quan các quỹ đạo vệ tinh được sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh; các quỹ đạo địa tĩnh được sử dụng nhiều nhất trong thông tin vệ tinh vì vị trí của nó cố định tương đối so với mặt đất và còn vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho 1/3 diện tích của trái đất Các quỹ đạo địa tĩnh cũng có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ thông tin di động, tuy nhiên anten trên vệ tinh phải có kích thước lớn (anten dù mở) để được EIRP cao và hệ số phẩm chất của trạm vệ tinh G/Ts cũng phải cao Còn các quỹ đạo LEO, MEO thường được sử dụng cho các dịch vụ di động cá nhân vì khoảng cách của các vệ tinh không xa mặt đất

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TỚI HỆ THỐNG 3G

2.1 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG CDMA

2.1.1 Khái niệm về nhiễu

2.1.1.1 Khái niệm và phân loại nhiễu

Ta thấy rằng vấn đề trung tâm của bài toán thông tin là tín hiệu và nhiễu Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, nhiễu là tất cả các tín hiệu không mong muốn nhận được bên cạnh tín hiệu mong muốn, gây khó khăn cho việc thu và xử lý tín hiệu mong muốn Nhiễu có thể nguồn gốc từ hiệu ứng nhiệt sinh ra trong nội bộ tín hiệu, do các tín hiệu của hệ thống vô tuyến khác gây ra, nhiễu vũ trụ

Nguồn gốc sinh ra nhiễu, hình dạng của chúng cũng như phương thức

mà chúng tác động lên tín hiệu hữu ích rất khác nhau Do đó, việc phân loại chúng có nhiều cách khác nhau Nhiễu có thể được phân loại:

- Theo quy luật biến thiên theo thời gian: các xung nhiễu và nhiễu liên tục

- Theo bề rộng phổ: có nhiễu trắng, nhiễu màu

- Theo luật phân bố xác suất: có nhiễu trắng, nhiễu màu,

- Theo phương thức mà chúng tác động lên tín hiệu hữu ích: có nhiễu cộng, nhiễu nhân

Một cách phân loại thường được sử dụng trong thực tế là phân loại theo nguồn gốc vật lý (do hệ thống vô tuyến khác, nhiễu công nghiệp, nhiễu vũ trụ, nhiễu nhiệt, )

2.1.1.2 Nhiễu cộng và nhiễu nhân - tỷ số tín hiệu/nhiễu

Về phương thức tác động của nhiễu lên tín hiệu, có hai dạng đơn giản nhất là các tác động cộng và nhân Nếu gọi s là tín hiệu có ích và n là nhiễu, kết quả của tác động của nhiễu lên tín hiệu theo hai dạng trên sẽ cho:

n s

(

n

s P dB

Tỷ số tín hiệu/nhiễu là một thông số rất quan trọng của các hệ thống thông tin và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và độ tin cậy của hệ thống Với một mức nhiễu cho trước, để nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu phải trả giá bằng một trong 3 cách:

- Tăng công suất của nguồn tín hiệu;

- Tăng độ dài của tín hiệu, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin;

Trong đó, no là trị trung bình của nhiễu và hằng số trong trường hợp nhiễu là quá trình ngẫu nhiên dừng

s s n

Là tích số của tín hiệu có ích với thăng giáng của nhiễu Như vậy, ta đã quy được nhiễu nhân về thành nhiễu cộng tương đương ξ Nếu áp dụng định nghĩa tỷ số tín hiệu/ nhiễu ta có:

{ } M { }n

n m

s n

2

2 0

2

2 2

Để chống tác dụng của nhiễu nhân có nhiều cách khác nhau, trong đó

có biện pháp dùng các mạch từ tự động điều chỉnh độ khuếch đại Mạch này

có tính chất là nếu nhận được ở đầu vào tín hiệu x=ns thì nó sẽ đưa ra ở đầu

ra tín hiệu s

n x

y= 1 =

Tuy nhiên kèm theo nhiễu nhân luôn luôn có nhiễu cộng nên mạch từ

tự động điều chỉnh độ khuyếch đại sẽ có tín hiệu ở đầu ra:

1

2

n

n s n

x

Nghĩa là vẫn còn nhiễu cộng và tỷ số tín hiệu/nhiễu không thay đổi

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ CDMA

2.1.2.1 Giới thiệu chung

Kỹ thuật trải phổ là kỹ thuật sử dụng một băng tần truyền dẫn có độ rộng lớn hơn nhiều lần băng tần cần thiết cho việc truyền dữ liệu

Để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm đến chất lượng một hệ thống thông tin ta thường sử dụng hai tham số là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) và xác xuất lỗi (PE) Để nâng cao tỷ số S/N với một mức tạp âm cho trước có thể được thực hiện bằng một trong ba cách:

- Tăng công suất tín hiệu để cải thiện S/N: biện pháp này bị hạn chế bởi các quy định quốc tế ràng buộc để tránh ảnh hưởng đến các hệ thống khác Mặt khác nó còn phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật, công nghệ chế tạo thiết bị

- Tăng độ dài tín hiệu: kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin

để cải thiện S/N, biện pháp này phải trả giá do tốc độ truyền tin giảm đáng kể

- Trải rộng phổ tín hiệu

Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản là trải phổ trực tiếp (DS-direct sequence), trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) và trải phổ nhảy thời gian (TH – time hopping) Đối với hệ thống di động CDMA thì kiểu trải phổ

là trải phổ trực tiếp

Bản chất của quá trình trải phổ triệt nhiễu, trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp, là ở đầu phía phát người ta sử dụng mã trải phổ có độ rộng băng tần lớn điều chế với thông tin cần truyền để phát đi Tín hiệu hữu ích sau khi điều chế trải phổ sẽ có băng thông được trải rộng ra xẫp xỉ bằng băng thông của mã trải phổ Tại đầu thu, ngoài tín hiệu trải phổ thu được còn có tín hiệu không mong muốn gọi chung là nhiễu Để tách tín hiệu thông tin cần nhận ta

sử dụng bản sao của mã trải phổ để giải điều chế tín hiệu thu được

Đối với tín hiệu mang thông tin được trải phổ ở đầu thu quá trình điều chế chính là quá trình nén phổ, còn với tín hiệu không mong muốn khác (nhiễu) thì đó là quá trình trải phổ Do vậy, sau khi giải điều chế thì mật độ phổ tín hiệucần thu sẽ cao, còn mật độ phổ của nhiễu bị giảm do bị trải phổ

Một tín hiệu được gọi là trải phổ khi thoả mãn các điều kiện:

- Tín hiệu được trải phổ chiếm một độ rộng băng thông lớn gấp nhiều lần độ rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền thông tin

- Sự trải phổ được thực hiện bởi mã trải phổ độc lập với tín hiệu số liệu Trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, tất cả mọi người đều dùng chung một băng tần số Để phân biệt mỗi người dùng được phân bổ một mã

PN duy nhất Vì vậy, hệ thống này được gọi là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Với các hệ thống vô tuyến truyền thống trước đây, khi có nhiều hơn một người dùng chung kênh tần số thì sẽ xảy ra can nhiễu lẫn nhau Tuy nhiên nhờ công nghệ trải phổ mà hệ thống CDMA có thể xử lý tốt hơn vấn đề này vì:

- Một là do mật độ phổ công suất của mỗi người dùng là rất bé so với tín hiệu phát do tín hiệu hữu ích được trải phổ trên một băng tần lớn

- Hai là do đặc tính của mỗi chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN Các mã PN được thiết kế sao cho có tính tương quan chéo thấp để chúng hầu như trực giao nhau hai tín hiệu

∫ =⎩⎨⎧ =≠

T

k j

k j

k j dt

t s

t

s

0 ) ( )

Vì Vậy, về lý tưởng thì hoàn toàn không có can nhiễu giữa các người

sử dụng với nhau Tuy nhiên, trên thực tế thì điều này vẫn tồn tại, nhưng không nguy hiểm như đối với các hệ thống truyền dẫn băng hẹp

2.1.2.2 Băng thông của tín hiệu trải phổ

Dung lượng lý thuyết của mỗi kênh thông tin được xác định bởi công thức dung lượng Shannon:

Trong đó:

ω

B : là băng thông (Hz)

S: là công suất tín hiệu

C: là dung lượng kênh (bit/s)

N: là công suất tạp âm

Như vậy, có thể tăng dung lượng kênh bằng cách tăng băng thông của kênh, công suất truyền hoặc cả hai cách

1 2

1 1

ln

4 3

S N

S N

S N

Giả thiết là S/N nhỏ (ví dụ S/N<0.1) ta có công thức gần đúng

S

N C B

44 1

Trong hệ thống thông tin trải phổ, PN có các nhiệm vụ sau:

- Trải băng tần của tín hiệu điều chế thành băng tần phát có độ rộng lớn hơn Tín hiệu qua trải phổ phải có dạng tạp âm băng rộng

- Phân biệt tín hiệu của các người sử dụng khác nhau nhưng cùng sử dụng một băng tần truyền dẫn trong các hệ thống đa truy nhập

Ta sử dụng {C i,i=so nguyen} {= ,C i−1,C0,C1, } để biểu thị chuỗi PN Giả sử N là chu kỳ sao cho C i+N =C i Để một chuỗi { }a i là một chuỗi giả tạp

âm tốt, giá trị của a i phải độc lập với giá trị của a j đối với mọi i≠ j Để đảm bảo điều này lý tưởng, chuỗi trên không được lặp lại, nghĩa là phải có chu kỳ

vô tận Trong thực tế vì PN phải tuần hoàn lên chu kỳ của nó phải lớn để đạt được tính ngẫu nhiên tốt

Hình 2.1 Chuỗi PN với chu kỳ N = 15

Ở hệ thống trải phổ trực tiếp, một tín hiệu liên tục theo thời gian là chuỗi PN dùng để trải phổ Giả thiết chuỗi PN này là cơ số 2, nghĩa là c i = ± 1, thì tín hiệu PN này là:

( ) ∑∞ ( )

−∞

=

− Π

=

k

C C

k T t kT c

Ta xét mô hình bản tin và tín hiệu PN như là các tín hiệu cơ số 2 ngẫu nhiên (mỗi bít hay mỗi chíp nhận các giá trị +1 hay -1 đồng xác suất) Bản tin với biên độ ± có tốc độ bít 1/T bít/s và mật độ phổ công suất psd:

) ( sin 2

C C

C C

C C

s f = A T c f − f T + c f + f T

Tín hiệu này có độ rộng băng tần là 2 /T C (Hz)

Hình 2.2 Phổ công suất trong hệ thống DSSS-BPSK

So sánh giữa Φb(f) và Φs(f) ta thấy biên độ giảm 4T/A2T C lần trong khi độ rộng băng tần tăng lên T / T C lần Vì thế T / T C là tỷ lệ trải phổ

Ở máy thu tín hiệu s(t− τ ) là phiên bản trễ của tín hiệu s(t) nên phổ của

nó cũng giống như phổ của tín hiệu s(t) vì trễ không làm thay đổi công suất và vùng tần số Phổ của c(t− τ ) cũng giống như phổ của c(t) Sau khi giải trải phổ ta được tín hiệu w(t) với mật độ công suất được xác định bởi:

)

(t− τ

c ở máy thu

2.1.2.5 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Trong các hệ thông di động CDMA, do các máy di động đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây can nhiễu đồng kênh với nhau Chất lượng đường truyền vô tuyến đối với mỗi người sử dụng phụ thuộc vào mức độ gây nhiễu của những người sử dụng khác, tức là mức công suất mà trạm gốc thu được từ những máy di động khác Công suất thu được phụ thuộc vào công suất phát ra của máy di động và khoảng cách giữa máy di động với trạm gốc Nếu công suất thu được từ các máy di động khác là lớn, tạo nên nền nhiễu cao sẽ làm giảm dung lượng của cả hệ thống Đây chính là

lý do để việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là bắt buộc

Nguyên tắc và mục đích điều khiển công suất là làm sao cho công suất thu được tại trạm gốc từ các máy di động là không quá nhỏ, cũng không quá lớn Không quá nhỏ để đảm bảo cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt giá trị yên cầu, không quá nhiễu để không gây ra nhiễu giao thoa quá mức nguy hại

Việc điều khiển công suất được xem là lý tưởng khi ở trạm gốc công suất thu được là như nhau đối với tất cả người sử dụng Công suất này phải chỉ vừa đủ để khôi phục lại tín hiệu có ích thì dung lượng hệ thống sẽ đạt được mức độ cực đại

2.1.3 Nhiễu trong hệ thống CDMA

Trong việc thiết kế hệ thống CDMA, tỷ số Eb/Io (năng lượng bít/công suất trên 1 Hz) đóng vai trò quan trọng vì nó liên quan đến tỷ lệ lỗi khung Tỷ

số Eb/Io lại phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/I theo quan hệ:

Rb: là tốc độ bít/s

B : Độ rộng băng thông kênh CDMA

η : % thoại hoạt động (speech activity)

B/Rb: độ tăng ích sử lý của hệ thống (processing gain)

Giá trị của C/I xác định tương quan giữa mật độ phổ công suất của tín hiệu hữu ích và mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu (đơn vị: năng lượng bức xạ/Hz)

Đối với hệ thống thông thường, vì cả hai tín hiệu là băng hẹp nên có thể

sử dụng trực tiếp tỷ số mức tín hiệu/nhiễu A(s)/A(i) Còn đối với hệ thống CDMA, cần phải tính đến yếu tố trải phổ để đưa về đúng bản chất là tỷ số năng lượng bức xạ trên 1 Hz Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được tính là mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu sau khi đã được giải trải phổ Vì tính chất này, đối với hệ thống CDMA có phân biệt các dạng nhiễu: nhiễu tạp âm nhiệt, nhiễu băng rộng, nhiễu băng hẹp, nhiễu từ các người sử dụng cùng cell và khác cell gây ra

Ta dùng các tham số sau để tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR):

- Tb: chu kỳ bít = 1/Rb; Rb: tốc độ bít ≈ 1/Bs; Bs: độ rộng băng tín hiệu

- Tc: chu kỳ chip = 1/Rc; Rc: tốc độ chip ≈ 1/B; B: độ rộng băng trải phổ

- PG: độ lợi sử lý = Tb/Tc = Rc/Rb

- Ps: tổng công suất tín hiệu có ích thu được tại máy thu

- P(i): tổng công suất nhiễu thu được tại máy thu

2.1.3.1 Với nhiễu tạp âm Gausse trắng cộng (AWGN), No

Đây là nhiễu nền, nhiễu này phụ thuộc vào môi trường, khí hậu, nhiệt độ,

độ ẩm, chất lượng thiết bị thu, …Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được tính như sau:

0 0

).

(

N

T s P

Trong công thức ta thấy SNRo độc lập với Tc, nên trải phổ không có

ưu điểm loại bỏ AWGN trong kênh

2.1.3.2 Nhiễu băng hẹp

Nhiễu băng hẹp là dạng nhiễu có băng tần nhỏ hơn độ rộng băng tần trải phổ B(i)<B Giả sử xuất hiện nhiễu băng hẹp tại đầu thu Nhờ đặc tính tương quan giữa tín hiệu hữu ích và bộ mã nén phổ tại đầu thu, mức tín hiệu

sẽ được nâng cao Trong khi đó, tín hiệu nhiễu sẽ được trải ra một băng tần rộng nên công suất nhiễu tại băng thông máy thu sẽ giảm

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được tính đối với nhiễu băng hẹp:

) ( ).

(

).

(

i B i P

T s P

Từ công thức trên, ta thấy SNR phụ thuộc Tc, Tc càng nhỏ (trải phổ càng rộng) thì nhiẽu P(i) càng ít ảnh hưởng lên sự giảm tín hiệu trên nhiễu Khi Tc đủ nhỏ thì nhiễu băng hẹp gần như sẽ không còn tác dụng

Ví dụ: với hệ thống CDMA 2000-1x có tốc độ bit R(b) = 9.6 kbps, tốc độ chip là R(c) = 1.2288 Mchps, nhiễu có độ rộng băng tần bằng độ rộng tín hiệu có ích thì ta có Tb/Tc = 1.2288/9.6 = 128, tức làm giảm nhiễu đi 128 lần (21 dB)

2.1.3.3 Nhiễu băng rộng

Nhiễu băng rộng là nhiễu có băng tần lớn hơn hay tương đương độ rộng băng tần trải phổ: B(i)>B khi đó tỉ số SNR:

) ( / ) (

).

(

i B i P

T s P

( )b C

C K

k j j rj

b

T iuser P

T sk P T

P

T sk P SNR

.

).

( )

1 (

(2.22)

Trong đó:

P(sk): công suất thu được từ người thu chủ định

Prj : công suất thu được từ người thứ j

Β : hệ số nhiễu từ các ô khác ( thường 0,56-1,28)

γ : Hệ số tích cực tiếng ( từ 0,4 – 0,6)

α : hệ số điều khiển công suất ( từ 0,7 – 0,85)

Trong công thức trên, mẫu số là tổng công suất của k-1 người sử dụng khác cộng với nhiễu từ các cell khác Về lý thuyết, lý tưởng là sau xử lý giải

trải phổ và giải điều chế giá trị này bằng không do tính trực giao và tính tương quan chéo của các chuỗi PN Tuy nhiên thực tế không đạt được như vậy mà vẫn có nhiễu đồng kênh từ những người sử dụng khác Khi thiết kế, người ta

đã tính toán các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ để giảm nhiễu đồng kênh

Trong trường hợp số người sử dụng đạt ngưỡng tối đa, P(iuser) được tính như sau:

λ γ

β ) Pr/

1 )(

1 max

= K

Tc iuser P ibr B ibr P Tc ibh P No

T s P

) ( ) ( / ) ( ).

(

).

(

+ +

+

Trong đó:

No: tạp âm nhiệt

P(ibh): công suất thu được từ nhiễu băng hẹp

P(ibr): công suất thu được từ nhiễu băng rộng

B(ibr): băng thông của tín hiệu băng rộng

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TỚI MẠNG 3G

2.2.1 Tổng quan

Chất lượng dịch vụ của một hệ thống thông tin số nói chung, hệ thống

di động nói riêng được đáng giá bằng tỉ lệ lỗi bit (BER – bit error rate) Với một phương thức điều chế nhất định, BER lại phụ thuộc vào Eb/No, trong đó

Eb là năng lượng của bit, No là mật độ phổ công suất tạp âm, No là mật độ phổ công suất tổng thể của nhiễu tạp âm nhiệt N của bản thân thiết bị cộng với nhiễu I do các nguồn bên ngoài khác gây ra

0

C N

E

¦(

) (

0

B

I N

/N Ptx Gtx Loss G T K B dB

) ( '

/I Ptx Gtx Loss G I dB

1 1

C I

N

Trong đó:

Ptx: là công suất phía máy phát (dBW)

Gtx: là độ tăng ích của ăng ten phía phát (dBi)

Loss: là suy hao truyền sóng từ phía phát đến phía thu (dB)

I: Là công suất nhiễu mà đầu thu thu từ các hệ thống khác (dBW)

G/T: là hệ số G/T của đầu thu (dBi/K)

K: là hằng số Bolzman = 1 38 10 − 23 (-228.6 dBW/Hz.K)

B: là độ rộng băng thông (dBHz)

Đối với một hệ thống thông tin di động CDMA, công suất nhiễu I bao gồm nhiễu của bản thân hệ thống Isystem (là tổng nhiễu cùng ô – intracell và nhiễu xuyên ô – intercell) và các nguồn nhiễu ngoài hệ thống khác Iinterference

Khi không có nhiễu ngoài Iinterference = 0 Khi có nhiễu Iinterference >0 nếu ta muốn giữ cho tỷ số C/(N+I) không đổi thi suy hao truyền sóng Loos phải giảm để bù vào Nghĩa là, phải giảm khoảng cách từ máy phát (thuê bao

di động) đến máy thu (trạm gốc) Điều này tương đương với việc bán kính ô, tức là vùng phủ sóng của ô bị thu nhỏ Đây là hiệu ứng đối với các ô có vùng

phủ sóng lớn (macrocell), dung lượng thấp được đặt ở các vùng ngoại thành, nông thôn Ta có thể thấy rõ hơn điều này ở hình trên, khi nền nhiễu dâng cao thì khoảng cách từ trạm phát sóng tới máy thu sẽ bị thu hẹp

2.2.2 Phương pháp tính suy giảm vùng phủ sóng của hệ thống 3G do nhiễu

Ta sẽ tính toán ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống 3G dựa trên tỷ số Isat/Nth, với Isat là công suất nhiễu ngoài hệ thống tại đầu thu của trạm gốc 3G

và Nth là mật độ công suất tạp âm nhiệt của máy thu trạm gốc 3G Công nghệ

sử dụng đối với hệ thống 3G là CDMA

Phương pháp tính toán ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống 3G dựa trên các giả thiết sau:

- Xem xét trường hợp xấu nhất là mạng vùng ngoại ô có dung lượng tải đường lên thấp (lighly loaded uplink);

- Độ cao của các trạm gốc trong môi trường nông thôn là khoảng 30 m;

- Áp dụng phương pháp truyền sóng thích hợp đối với môi trường nông thôn;

Ta gọi độ suy giảm vùng phủ sóng của một trạm gốc 3G và hệ số tăng

số lượng trạm gốc được biểu thị tương ứng bằng ∆Acell và Bsincrease

Phương pháp tính ảnh hưởng do nhiễu dẫn đến suy giảm vùng phủ của trạm gốc 3G có thể được mô tả như sau:

- Bước 1: Tính hệ số tải đường lên (uplink load factor), từ đó tính hệ số

tăng tạp âm nhiệt (noise rise) cho các mức lưu lượng khác nhau của trạm gốc

ở vùng nông thôn;

- Bước 2: Sử dụng hệ số tải đường lên và áp dùng phương thức truyền

sóng thích hợp, tính toán hệ số suy giảm vùng phủ sóng ∆Acell của trạm gốc 3G do ảnh hưởng của nhiễu ( dựa trên tỷ số Isat/Nth)

Phương pháp này còn cho phép truy đổi ngược từ hệ số suy giảm vùng phủ sóng ∆Acell sang tỷ số Isat/Nth tương ứng để phục vụ tính toán mức độ nhiễu tối đa có thể chấp nhận được