Tính toán thiết kế và tối ưu hoá cho mạng di động CDMA2000

Chuỗi dữ liệu có tốc độ cao này sẽ chiếm một băng thông lớn hơn rất nhiều băng thông cần thiết để tải tín hiệu mong muốn, nhờ vậy mỗi bít thông tin sẽ được tải đi bởi nhiều CHIP và băng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ VIẾT HIẾU

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CHO MẠNG DI

Tôi xin cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác

Học viên thực hiện

LÊ VIẾT HIẾU

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động đang phát triển với tốc độ chóng mặt trong những năm gần đây Tại Việt Nam hiện nay đã có tới 6 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động, trong đó có ba nhà cung cấp sử dụng công nghệ GSM và ba nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa vào triển khai ở Việt nam từ 4 năm trước đây, bắt đầu là SFone, sau đấy đến EVN và HT Mobile Do đó, việc nghiên cứu kỹ về công nghệ CDMA là rất quan trọng, đặc biệt là các bài toán về quy hoạch mạng vô tuyến và tối ưu hóa cho mạng

di động CDMA

Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả không đi sâu vào trình bày về công nghệ CDMA, mà muốn đưa ra các vấn đề có liên quan đến các tính toán về dung lượng, vùng phủ sóng cũng như việc tối ưu hóa mạng CDMA Nội dung của luận văn sẽ được trình bày với các chương chính như sau:

Chương I: trình bày một số vấn đề cơ bản của truyền sóng vô tuyến, các mô hình suy hao, công nghệ trải phổ trong CDMA và ứng dụng trong di động Chương II: trình bày các bài toán kỹ thuật liên quan tới việc quy hoạch và tối

ưu hóa mạng CDMA như tính toán dung lượng, vùng phủ sóng cho các cell, các kỹ thuật điều khiển công suất, …

Chương III: trình bày về quy trình thiết kế cho mạng vô tuyến

Chương IV: trình bày một số vấn đề về tối ưu hoá mạng CDMA

Tôi xin được chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Đức Thuận đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn vừa qua Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại công ty Nortel Việt nam

và công ty thông tin di động HT Mobile đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về mặt thực tế trong quá trình hoàn thành luận văn này

Hà nội, tháng 10 năm 2007

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG 7

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 8

1.1 CÁCVẤNĐỀCƠBẢNVỀTRUYỀNSÓNG 8

1.1.1 Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin 8

1.1.2 Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng 9

1.1.2.1 Mô hình không gian tự do 9

1.1.2.2 Mô hình Lee 10

1.1.2.3 Mô hình Hata 11

1.1.3 Các hiệu ứng che khuất (shadowing) 12

1.2 TỔNGQUANVỀCÔNGNGHỆCDMA 14

1.2.1 Các phương pháp đa truy nhập 14

1.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA 15

1.2.2.1 Kỹ thuật mã hóa thoại trong hệ thống CDMA 16

1.2.2.2 Kỹ thuật mã hóa kênh (Channel Encoding) 17

1.2.3 Lý thuyết về trải phổ và đa truy nhập theo mã 21

1.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp 21

1.2.3.2 Trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA của HT Mobile 24

CHƯƠNG II - CÁC BÀI TOÁN TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG VÙNG PHỦ SÓNG VÀ QUY HOẠCH CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA 29

2.1 TÍNHTOÁNDUNGLƯỢNGCELL 29

2.1.1 Dung lượng của cell khi có nhiễu từ MS ở trạm BTS khác 32

2.1.2 Hiệu quả của việc chia cell thành các sector (sector hóa) 34

2.1.3 Hiệu quả của việc mã hóa thoại với tốc độ khác nhau 34

2.2 ĐIỀUKHIỂNCÔNGSUẤTTRONGMẠNGCDMA 36

2.2.1 Điều khiển công suất vòng hở cho hướng lên 38

2.2.2 Điều khiển công suất vòng kín cho hướng lên 39

2.2.3 Điều khiển công suất cho hướng xuống 41

2.3 KỸTHUẬTTHIẾTKẾVÙNGPHỦSÓNGCDMA 41

2.3.1 Phân tích kênh đường xuống 42

2.3.1.1 Kênh pilot 42

2.3.1.2 Tính toán cho kênh lưu lượng hướng xuống 45

2.3.2 Phân tích kênh đường lên 47

2.3.2.1 Mô hình một cell một MS 47

2.3.2.2 Mô hình một cell nhiều MS 48

2.3.2.3 Mô hình nhiều cell và nhiều MS 48

2.4 QUYHOẠCHMÃPN 49

2.4.1 Quy hoạch chỉ số PN Offset và PILOT_INC 50

2.4.2 Tính khoảng cách tối thiểu để tái sử dụng mã PN 53

2.5 TÍNHTOÁNDUNGLƯỢNGCHOMẠNGDIĐỘNGCDMA 54

2.5.1 Mô hình Erlang-B 56

2.5.2 Mô hình Erlang-C 58

2.5.3 Nghẽn vô tuyến trong mạng di động CDMA 59

2.6 CHUYỂNGIAOTRONGMẠNGCDMA 60

2.6.1 Chuyển giao mềm 60

2.6.2 Chuyển giao mềm hơn 61

2.6.3 Chuyển giao cứng 62

CHƯƠNG III - THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN CHO MẠNG CDMA 63

3.1 GIỚITHIỆUCHUNGVỀTHIẾTKẾVÔTUYẾN 63

3.2 CÁCGIAIĐOẠNTHIẾTKẾMẠNGVÔTUYẾN 63

3.2.1 Giai đoạn thiết lập mục tiêu thiết kế 65

3.2.2 Giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu 65

3.2.3 Giai đoạn thiết kế chi tiết 66

3.3 CÁCMỤCTIÊUCHOTHIẾTKẾMẠNGVÔTUYẾN 67

3.4 THIẾTLẬPCÁCTIÊUCHUẨNCHOMẠNGRF 71

3.4.1 Dung lượng của sóng mang 72

3.4.2 Vùng phủ sóng của một cell 73

3.4.3 Tiêu chuẩn tỷ lệ vùng chuyển giao mềm 74

3.4.4 Quy hoạch mã PN 77

3.4.5 Xác định kích thước cửa sổ tìm kiếm 78

3.5 THIẾTKẾCHITIẾTDỰATRÊNMÔITRƯỜNGTHỰCTẾ 81

3.6 THIẾTLẬPCÁCTHAMSỐHỆTHỐNG 81

CHƯƠNG IV - TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN 83

4.1 CÁCVẤNĐỀCƠBẢNVỀTỐIƯUHÓAMẠNGVÔTUYẾN 83

4.2 QUYTRÌNHTHỰCHIỆNVIỆCTỐIƯUHÓA 85

4.2.1 Các mục tiêu cần đạt được khi tiến hành tối ưu hóa 85

4.2.2 Phương pháp tiến hành tối ưu hoá 85

4.2.3 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá 86

4.2.4 Quy trình thực hiện tối ưu hoá 89

4.2.5 Các tham số thống kê đánh giá chất lượng mạng 91

4.2.6 Các biện pháp nâng cao các chỉ tiêu chất lượng 93

KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

TÓM TẮT LUẬN VĂN – BẢN TIẾNG VIỆT 97

THESIS SUMMARY – ENGLISH VERSION 98

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

No7

Hệ thống báo hiệu kênh chung

số 7

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IMSI International Mobile Subscriber Identity Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế

động

OMC Operation and Maintenance

Center

Trung tâm vận hành và bảo dưỡng

PSTN Public Switching Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG

Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập 14

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA 15

Hình 1.3 Ma trận ghép xen 20

Hình 1.4 Quy trình trải phổ 22

Hình 1.5 Đồ thị trong miền thời gian và miền tần số củaquá trình trải phổ 23

Hình 1.6 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh 23

Hình 1.7 Sơ đồ tạo mã PN dài dựa vào số ESN của máy di động 28

Hình 2.1 Ảnh hưởng công suất của các MS lên S/N của nhau 31

Hình 2.2 Ảnh hưởng nhiễu của các MS đang ở cell khác 32

Hình 2.3 Nhiễu do các MS thuộc các sector gây ra 33

Hình 2.4 Ghép bit điều khiển công suất vào trong kênh lưu lượng 39

Hình 2.5 Minh họa các bít điều khiển công suất 40

Hình 2.6 Quá trình tạo ra kênh Pilot ở các trạm BTS dựa vào PN Offset 50

Hình 2.7 MS không phân biệt được PN của trạm nào do trễ 51

Hình 2.8 Minh họa trong miền thời gian việc MS không phân biệt được PN 52

Hình 2.9 Minh hoạ trong miền thời gian khoảng cách tái sử dụng PN 53

Hình 2.10 Phân bố lưu lượng theo giờ trong một ngày 55

Hình 2.11 Số lượng các cuộc gọi thống kê theo giờ trong một ngày 56

Hình 2.12 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang B 57

Hình 2.13 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang C 58

Hình 2.14 Chuyển giao mềm giữa hai BTS 60

Hình 2.15 Chuyển giao mềm hơn giữa hai sector thuộc cùng một BTS 62

Hình 3.1 Các giai đoạn thiết kế mạng vô tuyến 64

Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa MOS và %FER 69

Hình 3.3 Mối quan hệ giữa cấp độ dịch vụ GoS và dung lượng 71

Hình 3.4 Sự thay đổi công suất phát của MS theo tham số T_ADD 75

Hình 3.5 Quan hệ giữa vùng chuyển giao mềm và tham số T_ADD 76

Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiễu từ một cell dùng PN khác 77

Hình 3.7 Quan hệ giữa kích thước cửa sổ srch_win_n và vùng chuyển giao 80

Hình 3.8 Kết quả tính toán và kết quả đo đạc trước và sau hiệu chỉnh 81

Hình 4.1 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá 86

Hình 4.2 Quy trình tối ưu hoá mạng vô tuyến 90

Bảng 3.1 Các đối tượng mục tiêu của việc thiết kế RF 70

Bảng 3.2 Các loại dịch vụ và số người dùng tối đa 73

Bảng 3.3 Bán kính tối đa của cell trong các môi trường khác nhau 74

Bảng 4.1 Một số chỉ tiêu chất lượng mạng 91

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG NGHỆ

CDMA 1.1 CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SÓNG

1.1.1 Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin

Trong bất kỳ một hệ thống truyền thông nào, thì một tham số đặc biệt quan trọng là tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/N (Carrier to Noise ratio) tại máy thu Tỷ

số này cho ta biết công suất của tín hiệu so sánh với công suất của nhiễu trên kênh truyền Vì thế C/N có thể được xem như một tiêu chí để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền thông

Tỷ số C/N được tính toán như sau:

N

L G

ERP N

Trong đó Pt là công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất của máy phát,

Lc là suy hao do cáp nối giữa bộ khuếch đại công suất và ăng ten phát Gt là

độ tăng ích của ăn ten phát

LP là suy hao truyền dẫn, GR là hệ số tăng ích của Anten thu, và N là công suất hiệu dụng của nhiễu, thường do tạp âm nhiệt gây ra

Trong môi trường thông tin di động, nơi mà nhiễu đặc biệt lớn do ngoài nhiễu

do tạp âm nhiệt còn có nhiễu do các kênh thông tin khác gây ra, thì tỷ số trên chưa nói hết được chất lượng của kênh truyền Do đó trong thông tin di động

người ta sử dụng tỷ số tín hiệu trên tạp âm C/I (Carrier to Interference ratio) Trong đó thành phần I là tổng hợp của tạp âm nhiệt và nhiễu do các kênh thông tin khác gây ra

1.1.2 Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng

Trong công thức về C/N ở trên, ta thấy rằng tham số Lp là suy hao do truyền sóng và nó không phụ thuộc vào thiết kế, bởi vì suy hao qua môi trường truyền sóng LP bao gồm tất cả các ảnh hưởng lên tín hiệu mà nó gặp phải trên đường đi từ máy phát đến máy thu Vì vậy người ta phải xây dựng các mô hình nhằm dự đoán được các suy hao này Có nhiều mô hình được sử dụng để tính suy hao đường truyền, tất cả các mô hình đều sử dụng tham số khoảng cách từ máy phát tới máy thu làm tham số chính để tính toán Ngoài ra các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tham số này như môi trường truyền sóng, thời tiết, khí hậu Sau đây ta sẽ khảo sát ba mô hình hay được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, đó là mô hình không gian tự do, mô hình Lee, và mô hình Hata

1.1.2.1 Mô hình không gian tự do

Trong mô hình không gian tự do, suy hao đường truyền tăng tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách theo công thức sau:

24

Trong đó λ là bước sóng của tín hiệu, d là khoảng cách từ máy thu đến máy

phát Công thức này được viết dưới dạng decibel như sau:

d: khoảng cách tính bằng kilomet

f: tần số sóng mang (MHz)

LP: Suy hao đường truyền được tính bằng dB

Trong thực tế thì mô hình không gian tự do này thường được dùng trong thông tin vệ tinh và thông tin hàng hải, nơi mà tín hiệu gần như được truyền trong môi trường không gian tự do Còn trong thông tin di động, cần áp dụng các mô hình khác vì nó còn phụ thuộc vào vật cản và các yếu tố khác

1.1.2.2 Mô hình Lee

Trong thông tin di động, môi trường truyền sóng khác xa so với môi trường không gian tự do, vì trên mặt đất có rất nhiều các vật cản Tín hiệu thu được tại máy di động MS (Mobile Station) sẽ là tổng hợp của tín hiệu đến theo đường thẳng và các tín hiệu phản xạ từ các vật cản khác nhau như các tòa nhà, cây cối, đồi núi Vì thế suy hao đường truyền trên mạng di động mặt đất lớn hơn rất nhiều so với không gian tự do, và độ suy hao càng tăng lên nhanh hơn khi khoảng cách giữa MS và trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) tăng lên so với trong môi trường không gian tự do Sau đây là công thức đã được đơn giản hóa của mô hình Lee trong vùng tần số hoạt động của mạng di động:

84 3

2 13

10 14

với 2 của mô hình không gian tự do) nên suy hao theo khoảng cách giữa BTS

và MS sẽ tăng nhanh hơn, cũng trong công thức này độ cao của anten BTS tăng lên sẽ làm cho suy hao giảm đi rất nhiều Công thức trên có thể viết dưới dạng decibel như sau:

LP= - 129,45 – 38,4 log(d) + 20 log(h) (1.6)

Trong đó d tính bằng (km) và h (m)

Mô hình Lee dạng tổng quát phức tạp hơn rất nhiều so với mô hình đơn giản hóa ở đây và có các hằng số khác nhau được dùng để tính cho các trường hợp truyền dẫn khác nhau

1.1.2.3 Mô hình Hata

Sau đây ta sẽ trình bày mô hình Hata để minh họa mô hình suy hao phức tạp hơn, trong đó suy hao đường truyền không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy phát và máy thu, mà còn phụ thuộc vào các tham số như tần số sóng mang, độ rộng băng tần, độ cao của anten thu phát và mật độ của các công trình xây dựng Mô hình Hata được xây dựng trên cơ sở hàng loạt các đo đạc thực nghiệm trong môi trường đô thị Mô hình tổng quát của Hata dưới dạng decibel được viết như sau:

LP = - K1 – K2 log (f) + 13,82 log(h b ) + a(h m) –

Với f là tần số sóng mang (MHz), h b là độ cao của anten BTS (m), h m là độ

cao của anten máy thu (m), và d là khoảng cách từ trạm BTS đến MS (km) Trong công thức trên, thông thường h b có giá trị từ 30m đến 200m, h m có giá

Ở vùng đô thị có mật độ dân số cao:

[log(11.75 )] 4.972

.3)

K0 =3 dB Các thành phần K1 và K2 đặc trưng cho vùng tần số sóng mang:

K1 = 69.55 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz K1 = 46.3 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz K2 = 26.16 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz K2 = 33.9 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz

1.1.3 Các hiệu ứng che khuất (shadowing)

- Fading chậm: khi máy thu dịch chuyển ra xa dần BTS, công suất nó nhận được từ BTS sẽ giảm dần một cách từ từ Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển các vật cản (như cây cối, nhà cửa, xe cộ…) sẽ cắt ngang đường truyền sóng, có thể làm máy thu không nhận được công suất đến trực tiếp từ BTS đồng thời cũng không nhận được tín hiệu phản xạ Điều này sẽ gây ra tình trạng rớt công suất ở máy thu Sự suy giảm này xảy ra ở nhiều bước sóng trên dải sóng mang và vì vậy được gọi là fading chậm Fading chậm thường được

mô hình bằng phân bố “logarit thường” với công suất trung bình và độ lệch chuẩn (tức là phân bố xác suất của sự thay đổi công suất được phân bố theo

10ξ/10, với ξ là một biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian với giá trị trung bình m

và độ lệch chuẩn σ) Trong môi trường thông tin di động mặt đất, độ lệch chuẩn thường khoảng 8dB

- Fading nhanh: khi MS di chuyển ra khỏi tầm nhìn của BTS, khi đó hoàn toàn không còn tín hiệu nào đến MS trực tiếp từ BTS, tất cả các tín hiệu thu được trên MS đều được tạo thành từ các tia sóng phản xạ từ các vật cản xung quanh, và trong các tín hiệu thu được nhờ phản xạ đó không có tín hiệu nào

có công suất vượt trội Các tia phản xạ khác nhau đến MS trong các khoảng thời gian khác nhau, khác nhau về biên độ, khác nhau về pha Người ta đã chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm rằng đường bao của tín hiệu sóng mang nhận được ở MS được phân bố theo Rayleigh, vì thế fading này được gọi là fading Rayleigh Gọi N là số đường tín hiệu đến MS thì tín hiệu thu được ở MS sẽ được tính bằng công thức:

) 2

2 ( )

1

t f ft

os c R t

Với v là tốc độ di chuyển của MS

Ta phân tích tín hiệu thu thành hai thành phần đồng pha và dịch pha 90o như sau:

R

1

,2cos)

R

1

,2sin)

(1.14)

1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA

Ở Việt Nam, công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa vào triển khai được 4 năm, cả 3 nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA là SFone, EVN và HT Mobile đều sử dụng chuẩn CDMA2000 1x EVDO Vì vậy chúng ta sẽ đi vào xem xét một cách tổng quát các đặc điểm của công nghệ CDMA, sau đó ta sẽ đưa ra các bài toán về quy hoạch và tối ưu hóa mạng thông tin di động CDMA ở chương sau

1.2.1 Các phương pháp đa truy nhập

Có ba phương pháp đa truy nhập chính được sử dụng trong công nghệ di động,

đó là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập

FDMA

TDMA

CDMA

Frequency Time

Pow

er

Frequency Time

Pow

er

Frequency Time

Pow

er

FDMA: Frequency Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo tần

số, mỗi người dùng được gán cho mỗi tần số khác nhau trong một băng tần xác định Mạng di động AMPS (Advance Mobile Phone System) sử dụng phương pháp đa truy cập này

TDMA: Time Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo thời

gian, mỗi người dùng được gán cho một tần số và khe thời gian khác nhau Mạng di động GSM sử dụng phương pháp đa truy cập này

CDMA: Code Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo mã, mỗi

người dùng được gán cho một mã khác nhau trong một băng tần xác định Mạng di động CDMA sử dụng công nghệ này

Hình 1.1 minh họa các phương pháp đa truy nhập trên

1.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA

Hình vẽ 1.2 sau đây minh họa một hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải phổ và đa truy nhập theo mã (CDMA)

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA

Phía phát: Tín hiệu thoại được mã hóa thoại -> mã hóa kênh -> ghép xen ->

trải phổ -> Điều chế số -> Ghép kênh -> ra anten phát

Bit Stream Wave Form

< Sơ đồ khối cho đường lên (Reverse Link) >

< Sơ đồ khối cho đường xuống (Forward Link) >

Phía thu: Anten thu tín hiệu > Tách kênh > Giải điều chế > Giải trải phổ

-> Giải ghép xen > Giải mã kênh > Giải mã thoại

1.2.2.1 Kỹ thuật mã hóa thoại trong hệ thống CDMA (Voice Encoding)

Trong các hệ thống thông tin di động, việc mã hóa tín hiệu thoại là rất quan trọng sao cho vừa đảm bảo được chất lượng âm thoại vừa đảm bảo được tốc

độ bit giới hạn nhằm tiết kiệm dung lượng cho hệ thống

Các tín hiệu thoại thông thường sẽ được biến đổi sang dạng số sử dụng các kỹ thuật nén đặc thù để đảm bảo chất lượng thoại cũng như băng thông giới hạn Các kỹ thuật nén hay được dùng là QCELP (Quanlcomm Code Excited Linear Prediction) và EVRC (Enhanced Variable Rate Code) với các tốc độ bit đầu ra là 8 Kbps hoặc 13 Kbps

Đặc điểm của các kỹ thuật nén này là hệ số nén có thể điều khiển được, làm thay đổi tốc độ bit Khi đang đàm thoại thì tốc độ bit sẽ cao nhất và giảm dần khi không có đàm thoại

Tốc độ bit thông tin được thay đổi linh hoạt theo tiến trình của cuộc đàm thoại Tốc độ có thể thay đổi theo tỷ lệ 1 –1/2- 1/4 – 1/8 (8,6kbit/s – 4,2kbit/s – 2 kbit/s- 0.8kbit/s Với 8K QCELP, EVRC hay 13.35kbit/s – 6.25 kbit/s – 2.75kbit/s – 1.05 kbit/s với 13K QCELP)

Trong các khung CDMA, ta có thể ghép đồng thời các tín hiệu thoại, báo hiệu

và dữ liệu của người sử dụng

Khung cơ sở của CDMA là 20 ms trùng với thời gian của khung thu phát ở phần vô tuyến theo tiêu chuẩn CDMA IS– 95 hay IS – 2000 Đối với IS – 95 chiều dài khung lên tới 80ms khi phát ở tốc độ cao và 5ms khi chỉ phát các thông tin điều khiển ngắn

Các bộ Vocoder 8kbps có ưu điểm là tiết kiệm được dung lượng cho hệ thống, tuy nhiên nhược điểm của nó là cho chất lượng âm thanh kém hơn so với loại

13kbps Hầu hết các máy điện thoại CDMA đều cho phép người dùng được chọn lựa sử dụng tốc độ 8kbps hay 13kbps Tốc độ mặc định của nhà sản xuất trong các máy điện thoại CDMA là 8kbps

1.2.2.2 Kỹ thuật mã hóa kênh (Channel Encoding)

Sau khi tín hiệu thoại được đưa vào các bộ Vocoder để mã hóa thoại, chúng được đưa vào các bộ mã hóa kênh để đạt được các hiệu quả trong việc chống lỗi bit cũng như có khả năng sửa lỗi bit

Có hai thông số quan trọng mà nhà thiết kế có là: thông số tín hiệu được phát

và độ rộng băng thông của kênh truyền dẫn Hai thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xác định tỉ số giữa năng lượng của một bit thông tín và mật độ công suất tạp âm Eb/N0 (Energy per information bit to Noise power density ratio) Tỉ số Eb/N0 xác định giá trị lỗi bit BER đối với một sơ

đồ điều chế cho trước Trong thực tế thiết kế ta thường phải đặt ra một giới hạn giá trị mà chúng ta có thể phân bố cho Eb/N0 Tuỳ theo từng trường hợp trong thực tế mà chúng ta phải sử dụng một sơ đồ điều chế nào đó mà với sơ

đồ này có thể không thể đảm bảo được chất lượng số liệu Đối với một tỉ số

Eb/N0 xác định, cách tốt nhất để đạt được một chất lượng số liệu qui định là sử dụng mã hoá kênh Một lý do khác dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng mã hoá kênh là là nhằm giảm tỉ số Eb/N0 yêu cầu đối với tỉ số lỗi bít BER cố định

Độ giảm tỉ số Eb/N0 yêu cầu đối với tỉ số lỗi bit BER cố định được gọi là độ tăng ích mã hoá Nhờ việc giảm này mà chúng ta có thể giảm công suất phát hay giảm giá thành của phần cứng, như dùng anten kích thước nhỏ hơn Kiểm soát lỗi để đảm bảo sự toàn vẹn của số liệu có thể được thực hiện bằng hiệu chỉnh lỗi trước FEC

Trong CDMA các bit thông tin được bảo vệ chống lại các nhiễu tác động trên đường truyền đến các thiết bị thu nhờ áp dụng kĩ thuật mã hoá kênh (channel

encoding) cho phép chuyển đổi chúng thành một dạng biểu hiện đặc thù khác (mang đặc điểm chống nhiễu và khắc phục lỗi) trước khi truyền dẫn Có ba dạng mã hóa kiểm soát thường được sử dụng trong thông tin di động, đó là

mã hóa khối tuyến tính (hay mã vòng), mã xoắn và mã Turbo Mã vòng là phương pháp thực hiện phép ánh xạ từ khối thông tin đầu vào thành các khối thông tin khác Mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi Mã hóa xoắn và mã Turbo có tác dụng sửa lỗi Mã hoá xoắn thực hiện mã hoá trực tiếp tín hiệu đầu vào Đối với loại mã hoá xoắn thì đòi hỏi một cấu trúc rất phức tạp ở phía thu tuy nhiên nó lại đảm bảo chất lượng tốt và đang được sử dụng rộng rãi Hiện nay có rất nhiều kĩ thuật mã hoá kênh như thế này Bên cạnh đó người ta cũng sử dụng kĩ thuật mã hoá TURBO (mã này rất có hiệu quả khi thao tác với các khung số liệu tốc độ cao) Chúng được sử dụng cho thoại và số liệu trong kĩ thuật truyền thông di động CDMA Tuy nhiên người ta cũng sử dụng thêm một loại mã sửa lỗi nữa ngoài việc sử dụng mã hoá kênh để giám sát chất lượng của đường truyền trong mỗi khoảng 20ms ở giao diện vô tuyến

a) Mã hóa vòng

Mã vòng cho phép kiểm tra vòng dư CRC (Cyclic Redundance Check) để chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin, mã vòng là một tập con của mã hóa khối tuyến tính Bộ mã hóa sẽ được đặc trưng bởi một đa thức tạo mã Cứ k bit vào bộ tạo mã sẽ tạo ra một từ mã n bit, trong đó n-k bit là các bit kiểm tra CRC Bộ mã này được gọi là có tỷ lệ mã r=k/n, đây là số đo để đánh giá lượng dư được bổ sung vào Tại phía thu cũng sẽ tính toán các bit kiểm tra CRC như vậy, nếu thấy có sai khác thì phía thu sẽ hiểu rằng khung này bị lỗi

Mã hóa vòng chỉ phụ thuộc vào k bit của bản tin đầu vào

b) Mã hoá xoắn

Khác với mã vòng, mã hóa xoắn tạo ra một khối n bit không chỉ phụ thuộc vào k bit của bản tin đầu vào mà còn phụ thuộc vào các bản tin của các khối

trước đó Mã xoắn được xác định bởi ba số nguyên n, k và K Tỷ lệ mã được xác định là r=k/n Số nguyên K được gọi là độ dài hạn chế, nó thể hiện số lần dịch của một nhóm k bit bản tin mà trong đó nhóm k bit này vẫn còn gây ảnh hưởng đến đầu ra của bộ lặp mã Một đặc tính quan trọng của các mã xoắn so với mã khối là bộ lặp mã của chúng có các bộ nhớ, nên quá trình tạo ra n phần

tử đầu ra của các bộ lặp mã không chỉ phụ thuộc vào k bit đầu vào, mà còn phụ thuộc vào (K – 1) tập hợp k bít đầu vào trước đó Bộ lặp mã được hình thành từ những thanh ghi dịch và bộ cộng Thông thường các bộ lặp mã xoắn hay được sử dụng với k = 1, tỉ lệ mã là 1/n và số K bằng số tầng trong thanh ghi dịch của bộ lặp mã xoắn

Mã hoá xoắn với hệ số R = 1/2 hay 1/4 được sử dụng cho kênh hướng xuống Trong khi đó R = 1/2 được sử dụng cho các kênh có tốc độ thấp Tuy nhiên,

để bù lại cho những hạn chế của kênh hướng lên trên giao diện vô tuyến người ta chủ yếu sử dụng hệ số R = 1/3 hay 1/4

c) Ghép xen (Interleaving)

Một đặc điểm cơ bản của giao diện vô tuyến là thường xuất hiện xuất hiện các lỗi chùm (Burst Errors), ví dụ như hiện tượng fast fading (fading nhanh) Các lỗi này làm mất đi một đoạn liên tục các dòng bit và vì vậy cho dù chúng ta có

sử dụng các phương pháp chống và khắc phục lỗi hiệu quả như thế nào chăng nữa thì cũng rất khó khôi phục được như cũ Để hạn chế các lỗi trùm này người ta sử dụng việc ghép xen Mục đích của việc ghép xen là làm ngẫu nhiên hóa các bit trong bản tin cần truyền sao cho khi có lỗi chùm xảy ra thì

sẽ rơi vào các bit ngẫu nhiên, không liên tục Qua đó ta có thể dùng các kỹ thuật khắc phục lỗi để khôi phục lại được Thay vì để dòng bit đi vào theo tuần tự, người ta đưa dòng bit vào theo một ma trận các hàng và cột, trong đó bit vào theo từng hàng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới, còn bit ra theo từng cột từ trên xuống dưới từ trái qua phải Thông thường là một ma trận

24x16 Như vậy khi có hiện tượng lỗi chùm xảy ra, một loạt các bit sẽ bị sai nhưng các bit này lại được chia đều cho các thời điểm khác nhau mà không phải là các bit liên tục, mỗi thời điểm chỉ sai một bit, vì vậy áp dụng các biện pháp sửa lỗi ta có thể khôi phục lại các bít này

Sau đây là một ví dụ của việc ghép xen và khả năng chống lỗi khi có hiện tượng lỗi chùm

Giả sử bản tin ta cần gửi đi là:

ARE YOU SURE THAT THEY ARE COMING TO LUNCH WITH US Bản tin gửi đi với lỗi chùm sảy ra sẽ trở thành:

ARE YOU SUxx xxAT THEY ARx xxxING TO LUNCH WITH US

Nếu ta đưa vào ma trận ghép xen:

Hình 1.3 Ma trận ghép xen

Bản tin đầu ra sau khi ghép xen có lỗi trùm xuất hiện:

ATEU RHCN EAOC YTMH OTIW UHNI SEGT UYTH RAOU ERLS Trở thành:

ATEU RHCN xxxx YTMH OTIW xxxx SEGT UYTH RAOU ERLS

Tại đầu ra, ta qua giải mã bản tin, ta thu được:

ARx YOx SURE THxT TxEY ARE CxMIxG TO LUNxH WxTH US

Như vậy các bit sai đã được chia đều cho các thời điểm khác nhau và mỗi thời điểm chỉ sai một bit Nếu dùng các biện pháp sửa sai ta có thể khôi phục lại được các bit sai này

1.2.3 Lý thuyết về trải phổ và đa truy nhập theo mã

Theo hình vẽ minh họa (1.1) các công nghệ đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA ở trên, các công nghệ FDMA và TDMA đều cố gắng thu hẹp băng thông của tín hiệu nhằm nâng cao hiệu suất cho tài nguyên băng thông của mạng Trong khi đó, với công nghệ CDMA thì tất cả các người dùng đều được sử dụng chung toàn bộ băng tần (kênh vô tuyến) để thực hiện cuộc gọi Các người dùng này được phân biệt với nhau nhờ vào một mã đặc trưng duy nhất cho mỗi người

Công nghệ CDMA sử dụng toàn bộ băng tần bằng cách nhân tín hiệu cần được truyền đi (có tốc độ bit rất thấp) với một chuỗi dữ liệu có tốc độ rất cao (gọi là tốc độ chip) Chuỗi dữ liệu có tốc độ cao này sẽ chiếm một băng thông lớn hơn rất nhiều băng thông cần thiết để tải tín hiệu mong muốn, nhờ vậy mỗi bít thông tin sẽ được tải đi bởi nhiều CHIP và băng thông của tín hiệu sẽ phụ thuộc vào băng thông của chuỗi CHIP, điều này đồng nhất với việc thông tin của người sử dụng sẽ được trải rộng trên trục tần số và do đó mật độ phổ năng lượng được dàn đều trong một dải rộng tần số, đó cũng chính là lí do làm tăng khẳ năng chống nhiễu của hệ CDMA Ở phía thu sử dụng một trật tự đồng nhất duy nhất ứng với từng người sử dụng để thu nhận lại được thông tin bởi sử dụng các mã WALSH, PN code Có rất nhiều kiểu trải phổ đã được

đề xuất và được ứng dụng trên thị trường Tuy nhiên công nghệ CDMA thường sử dụng phương pháp trải phổ trực tiếp

1.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp

Đã có rất nhiều các tài liệu và giáo trình viễn thông đã trình bày kĩ về phương pháp trải phổ trực tiếp DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrums) Do đó, trong phần này chúng ta chỉ xem xét vài nét cơ bản của DS-SS Để thực hiện việc trải phổ, bên phát sẽ nhân trực tiếp tín hiệu thông tin của mình với chuỗi

các bit PN có trật tự nhất định, chuỗi các bit này được thiết kế sao cho trông giống như tạp âm ngẫu nhiên (PN Pseudo Noise) Tốc độ bit của PN này cao hơn nhiều so với tốc độ bit thông tin và được gọi là tốc độ chip để phân biệt với tốc độ thông tin là tốc độ bit Các chuỗi như thế này có thể là chuỗi WALSH, mã PN ngắn và dài Điểm khác biệt giữa các thành phần trong cùng một loại mã với nhau đó là về pha của chúng hay độ dịch một cách tuần hoàn của các trật tự CHIP này ta sẽ thu được các chuỗi PN có độ dịch khác nhau về trật tự CHIP Tuy nhiên việc sai khác giữa các trật tự này phụ thuộc lớn cả vào yếu tố thời gian (yếu tố này được xác định là khoảng cách tương đối giữa trạm gốc và thiết bị di động), chính vì vậy cần có quy hoạch và tính toán rất

cụ thể để xác định số CHIP dịch sai khác giữa các thành phần trong cùng một

mã (Đây là vấn đề liên quan tới qui hoạch và vùng phủ sóng trong mạng CDMA) Nếu không quy hoạch tốt có thể dẫn tới hiện tượng nhận nhầm mã

PN gây rớt cuộc gọi

Phía thu sẽ chập chuỗi thông tin này với một chuỗi giống hệt như vậy để giải

mã ra các bít thông tin Hình 1.4 dưới đây minh họa quá trình trải phổ bằng cách nhân tín hiệu vào với một chuỗi PN có tốc độ chip 1.2288 Mcps

Hình 1.5 Đồ thị trong miền thời gian và miền tần số củaquá trình trải phổ

Để thu được các tín hiệu trải phổ ở đầu ra, các bit của tín hiệu đầu vào sẽ được XOR với tất cả các bit của chuỗi PN như hình1.6 sau:

Hình 1.6 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh

Spreading

t c(t

Data

t d(t)

Spreading

f C(f

T ime Domain

Transmitted

t s(t

1.2.3.2 Trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA của HT Mobile

Hệ thống thông tin di động CDMA2000 đang được triển khai bởi công ty HT Mobile, sử dụng thiết bị của Nortel dùng 3 trật tự trải phổ khác nhau để tạo ra các kênh hướng lên và hướng xuống (Walsh code, mã PN ngắn, và mã PN dài)

a) Mã Walsh

Đặc điểm của mã này là gồm 64 mã trực giao với nhau (Tương quan giữa các

mã này bằng 0), mỗi mã gồm có 64 bít, một đặc điểm thuận lợi nữa của mã này là dễ dàng tạo ra và đòi hỏi ít bộ nhớ trong RAM

Nguyên tắc để một tập các chuỗi mã trực giao với nhau như sau:

Hai chuỗi số gọi là trực giao nhau khi và chỉ khi kết quả của phép OR giữa chúng tạo ra một dãy số mới có số các số 0 bằng số các số 1 Tức là nếu ký hiệu số 0 là -1 và số 1 là +1, thì kết quả của tổng các phép OR của chúng sẽ bằng 0

Tất cả các chuỗi mã trong tập mã trực giao phải có số lượng các số 1 và số 0 như nhau, và chỉ khác nhau về vị trí của chúng

Tập các mã trực giao, hay ma trận trực giao được tạo ra từ ma trận cấp thấp hơn của nó như sau:

N N

N

H H

H

H

H2

(1.15) Trong đó HN là ma trận nghịch đảo của ma trận HN

Ma trận cơ bản để tạo ra mã WALSH là:

0

02

H

Như vậy ta sẽ có tập bốn chuỗi trực giao nhau là:

1 1 0 0

1 0 1 0

0 0 0 0

2 2

2 2

4

H H

H H

H

(1.17) Như vậy ta thu được 4 chuỗi:

mã W0 này được dùng làm kênh pilot

Khác với mã PN, mã WALSH được tạo ra bởi ma trận trực giao chứ không phải được tạo ra bởi mạch tổ hợp phần cứng Vì vậy, mã này rất linh hoạt về kích thước (hoàn toàn có thể tăng hay giảm kích thước, chiều dài mã mà không hề ảnh hưởng tới đặc điểm trực giao của chúng)

CDMA sử dụng nguyên lý chia sẻ tần số cho nên mã WALSH được sử dụng

để phân biệt các kênh trong cấu trúc kênh thông tin của mạng di động Xét trên các kênh hướng xuống, tuy nhiên với các kênh hướng lên thì lại khác, người ta không sử dụng mã này cho việc nhận dạng, vì trong cùng một thời

điểm MS chỉ sử dụng duy nhất có một kênh, hoặc là kênh truy nhập hoặc là kênh lưu lượng mà thôi Và MS chỉ truyền tin khi nào nó cần, việc sử dụng đơn giản kênh lưu lượng như vậy nên người ta chỉ cần phát các thông tin mào đầu để thiết lập kênh thông tin trao đổi thông tin với BTS

Tuy nhiên mã WALSH vẫn được sử dụng cho hướng xuống để tách ra các chùm bít thông tin, Như đã biết với mã W64 có nghĩa là với một biểu tượng này thì bao gồm độ dài bít là 6 bít (26 = 64), chính vì thế việc thu các biểu tượng này là rất đơn giản và đạt tốc độ cao, trong khi nếu thu từng bít một thì rất phức tạp và tốc độ chậm cùng với độ nhầm lẫn thông tin lớn hơn Khi đó

hệ thống sẽ có đủ thời gian để nhanh chóng giải mã thông tin hướng xuống đây cũng chính là điểm thuận lợi của hệ CDMA cho phép nhanh chóng kiểm tra chất lượng của đường tín hiệu hướng xuống tạo điều kiện cho phép điều khiển công suất Khiến cho MS có thể di chuyển với tốc độ rất cao cũng không ảnh hưởng mấy đến chất lượng Thông tin trên các kênh khác nhau được nhân với các mã WALSH khác nhau để phân biệt chúng Trong mã Walsh không hề có nét đồng dạng giữa các mã này với nhau vì vậy chúng mang đặc điểm ngẫu nhiên Các mã ngẫu nhiên này hoàn toàn có thể được xem là tạp âm xét trong miền tần số

Nhờ sử dụng mã này để phân biệt các kênh thông tin mà ta có các kênh logic sau cho hướng xuống:

- Kênh Pilot

- Kênh đồng bộ

- Kênh nhắn tin

- Kênh điều khiển chung

- Kênh nhắn tin nhanh

- Kênh lưu lượng

-

Mã PN có thể được tạo ra từ một chuỗi các thanh ghi dịch có hồi tiếp, các bit vào được dịch dần qua các thanh ghi dịch, đầu ra tại thanh ghi cuối và một số trạng thái trung gian được đưa trở lại đầu vào qua bộ cộng Modul 2 Chuỗi các bit ra tại thanh ghi cuối cùng sẽ là chuỗi PN được tạo ra

Tương tự như mã WALSH, để có thể biến các mã PN này thành các kênh lưu lượng, các mã PN này cũng phải trực giao với nhau như điều kiện đối với mã WALSH Sau đấy ta có thể dùng các mã PN này để làm kênh lưu lượng bằng cách XOR nó với tín hiệu đầu vào

Các loại mã giả ngẫu nhiên này được sử dụng với mục đích trải phổ các kênh vật lý, mã PN ngắn được sử dụng để trải phổ còn PN dài được sử dụng để mã hoá dữ liệu và thoại Đặc điểm các loại mã này là có hệ số tương quan chéo bằng không giữa các trật tự khác nhau của cùng một mã Mã PN được xây dựng sao cho nó mang tính chất giống với nhiễu ngẫu nhiên nên cũng có thể được xem là tạp âm

- Mã PN ngắn được tổ hợp bởi một chuỗi số nhị phân 215 -1= 32,767 chip Nó được tạo ra bởi 15 thanh ghi dịch

thành từ 42 thanh ghi dịch

Chức năng của chúng cũng rất khác nhau:

Với mã PN dài:

Hình 1.7 Sơ đồ tạo mã PN dài dựa vào số ESN của máy di động

Được sử dụng để phân biệt các người sử dụng Mỗi người dùng được gán cho một mã PN khác nhau làm kênh truy nhập

Được sử dụng để trải phổ cho các kênh hướng lên

Chúng lặp đi lặp lại với thời gian 41,4 ngày

Mã này có tốc độ 1,2288Mbps để mã hoá dữ liệu và hỗ trợ cho chức năng điều khiển công suất

Ở hướng lên, nó được sử dụng để phân biệt MS ở BTS bằng cách chèn vào chuỗi số ESN của một MS

Với mã PN ngắn:

Được sử dụng để phân biệt các CELL hay SECTOR cho hướng xuống

Cải thiện độ lợi cho hướng xuống

CHƯƠNG II CÁC BÀI TOÁN TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG VÙNG PHỦ SÓNG VÀ

QUY HOẠCH CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA

Để quy hoạch tốt cho một mạng CDMA đòi hỏi các nhà quy hoạch phải thực hiện một khối lượng công việc rất lớn Trong chương này, chúng ta sẽ đi sâu vào phân tích các bài toán kỹ thuật chung mà hầu như tất cả các nhà thiết kế

hệ thống thông tin di động CDMA phải nghiên cứu đến, đó là các bài toán về quy hoạch dung lượng mạng (Capacity), vùng phủ sóng (Coverage Area), phân bố lưu lượng (Traffic Analysis), quy hoạch mã PN, thiết lập các tham số điều khiển công suất, các tham số chuyển giao Đây là các vấn đề rất quan trọng, có liên quan mật thiết với nhau, ảnh hưởng rất lớn tới đến chất lượng dịch vụ, giá thành đầu tư xây dựng mạng và vận hành hệ thống

Vì vậy chúng cần phải được tính toán và cân nhắc một cách chính xác trên cơ

sở của những kiến thức một hệ thống thông tin liên lạc nói chung và những đặc trưng của hệ thống CDMA Sau đây tôi sẽ lần lượt trình bày các vấn đề trên

2.1 TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CELL

Có nhiều mô hình tính toán dung lượng một cell hay một sector CDMA nhưng nhìn chung đều có một đặc điểm là dựa trên việc tính toán nhiễu Bởi

kỹ thuật trải phổ CDMA thực chất là việc biến thông tin cần truyền đi thành dạng tín hiệu nhiễu đối với người khác Mọi người dùng trong hệ thống CDMA đều thu được tín hiệu của người dùng khác dưới dạng nhiễu và không thể giải mã được

Dung lượng thực tế của một cell phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như bộ giải điều chế, độ chính xác của các quá trình điều khiển công suất, tính toán nhiễu do người dùng khác trong cùng cell và người dùng từ cell lân cận gây ra

Trong các hệ thống thông tin số, ta chủ yếu quan tâm đến một thông số nói lên chất lượng đường truyền, đó là tỷ số Năng lượng bit trên mật độ công suất tạp âm Eb/N0 (Energy per information bit to Noise power density ratio) Tỷ số

Eb/N0 được tính toán dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N (Signal to Noise Ratio) trong các hệ thống thông tin truyền thống vì năng lượng của một bit thông tin bằng công suất tín hiệu trung bình được phân bố trong thời gian tồn tại của bit đó:

độ tăng ích xử lý của hệ thống

Sau đây ta sẽ tính toán dung lượng đường lên (reverse link) vì trong hệ thống CDMA thì đây là hướng có hạn chế về dung lượng hơn là đường xuống (forward link)

Giả sử hệ thống điều khiển công suất hoạt động lý tưởng, nghĩa là công suất phát của các MS được điều khiển sao cho công suất thu ở BTS đối với các tín hiệu đến từ các MS là hoàn toàn giống nhau Khi đó tỷ số S/N được viết như sau:

1

1 /

−

=

M N

S

(2.5) với M là tổng số người dùng hiện tại Trong hệ thống CDMA thì với 1 người bất kỳ, M-1 người còn lại đều được xem như là nhiễu

Hình 2.1 dưới đây thể hiện một hệ thống CDMA với 7 MS, khi đó S/N của mỗi MS sẽ là 1/6 (với giả thiết công suất phát của mỗi MS là như nhau)

Hình 2.1 Ảnh hưởng công suất của các MS lên S/N của nhau

Khi đó ta có công thức:

R

W M

1

Từ đó ta tính được M:

) / (

) / (

0

N E

R W M

b

≈

(2.7)

2.1.1 Dung lượng của cell khi có nhiễu từ MS ở trạm BTS khác

Công thức 2.7 ở trên dùng cho mô hình mạng CDMA chỉ có một cell đứng độc lập, cell này phát sóng đều trên mọi hướng, không có cell lân cận và các

MS của nó cũng truyền tín hiệu 100% thời gian liên lạc Trong thực tế, hệ thống CDMA thường có nhiều cell, như hình 2.2 sau đây:

Hình 2.2 Ảnh hưởng nhiễu của các MS đang ở cell khác

Hình 2.2 ở trên chỉ ra một cell A có các cell B và C tiếp giáp với nó và trong

đó cũng đang có các MS đang hoạt động Những MS thuộc cell B và C gây ra nhiễu đối với cell A và ngược lại, lúc đó ta nói cell A phải chịu tải nhiễu do các MS khác ở các cell khác gây ra

Cách tính Eb/N0 được viết lại như sau:

1(

1

W M

N

E b

(2.8)

với η là hệ số tải có giá trị từ 0% đến 100%

Trong ví dụ hình 2.3 dưới đây, hệ số tải là η=0,5 gây ra tăng 150% trong công suất nhiễu

Hình 2.3 Nhiễu do các MS thuộc các sector gây ra

1

số

Rõ ràng, hệ số tái sử dụng tần số F = 1 khi chỉ có một cell đứng độc lập Trong hệ thống nhiều cell, hệ số tải η tăng lên nên hệ số tái sử dụng tần số F

giảm đi

2.1.2 Hiệu quả của việc chia cell thành các sector (sector hóa)

Ta có thể giảm nhiễu từ các cell lân cận bằng việc thực hiện việc chia cell thành các phần nhỏ hơn gọi là các sector Giả sử ta chia cell thành 3 sector thì anten của mỗi sector chỉ phủ một góc 1200 nên có thể giảm được nhiễu vì chỉ

có nhiễu trong góc 1200 đó thôi Khi chia một cell thành 3 sector thì ta giảm nhiễu được khoảng gần 3 lần (thực tế tính toán khoảng 2,4) Nếu ta chia một cell thành 6 sector thì đã giảm nhiễu được khoảng gần 5 lần Hệ số này được gọi là độ tăng ích do phân chia cell thành sector (hay gọi là sector hóa)

Gọi λ là độ tăng ích do phân chia cell thành sector, ta có công thức tính Eb/N0

mới như sau:

1(

1

W M

N

E b

2.1.3 Hiệu quả của việc mã hóa thoại với tốc độ khác nhau

Trong việc tính toán công thức 2.9 trên ta giả sử rằng mỗi người dùng phát công suất 100% trong suốt thời gian đàm thoại, trong thực tế người dùng có những khoảng thời gian im lặng Các bộ mã hoá thoại dùng trong hệ thống CDMA có thể thay đổi tốc độ bít đầu ra theo sự phát hiện tích cực thoại Trong khoảng thời gian im lặng của người dùng thì tốc độ bit ở đầu ra của bộ

mã hoá thoại sẽ giảm xuống để công suất phát trong phần vô tuyến giảm Hiệu quả của việc thay đổi tốc độ bit này là giảm công suất, qua đó làm giảm nhiễu lên các người dùng khác Kết quả là làm tăng dung lượng hệ thống Các

nghiên cứu chỉ ra rằng một người dùng chỉ nói trong khoảng 40%-50% tổng thời gian đàm thoại

Bằng cách sử dụng bộ mã hóa thoại với tốc độ thay đổi được, qua đó làm thay đổi công suất phát của MS, hệ thống đã giảm được nhiễu thu được từ việc mã hóa thoại Gọi ν là hệ số tăng ích do mã hóa thoại, ta có công thức tính Eb/N0

như sau:

υ

λη

11

1)

1(

1

0

×

×+

11

1)/(

)/(1

0

×

×+

×+

=

N E

R W M

Khi M tương đối lớn, ta có thể dùng công thức gần đúng:

υ

λ η

11

1)/(

)/(

0

×

×+

×

≈

N E

R W M

Qua công thức này ta có thể có một vài nhận xét sau:

- Dung lượng của hệ thống, hay chính là số người dùng đồng thời M, tỉ lệ thuận với độ tăng ích xử lý của hệ thống W/R

- Dung lượng của hệ thống tỉ lệ nghịch với Eb/N0 Với một hệ số Eb/N0 xác định sẽ có một giá trị chấp nhận được của BER (Bit Error Rate) Để tăng dung lượng của hệ thống ta phải chấp nhận giảm chất lượng bằng cách tăng BER (tăng Eb/N0)

- Bằng cách phân chia thành các Sector, ta cũng góp phần gia tăng dung lượng cho hệ thống Trong thực tế các nhà cung cấp thường có các loại BTS 1sector (Omni), 3 sector hoặc 6 sector

2.2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG CDMA

Vấn đề cực kỳ quan trọng đối với hệ thống CDMA là điều khiển công suất Bởi vì trong hệ thống CDMA, tất cả các người dùng đều sử dụng chung một tần số, thông qua việc sử dụng các mã ngẫu nhiên PN, như vậy mỗi một người dùng đều trở thành nguồn nhiễu đối với người dùng khác Vì thế công suất của mỗi một người dùng phải được điều khiển một cách cẩn thận sao cho không để gây ra nhiễu không cần thiết lên người dùng khác

Hãy xét trường hợp ta có 1 cell với 2 người dùng, cả 2 người dùng cùng phát

ra một công suất cố định là Pt Tuy nhiên người dùng 1 ở xa trạm gốc hơn so với người dùng 2, dẫn đến công suất thu được tại trạm gốc của người thứ 2 là

Pr2 sẽ lớn hơn của người thứ 1 là Pr1 Như vậy người dùng 2 sẽ có 1 tỉ số S/N cao hơn của người dùng 1 Giả sử khoảng cách của người 1 và 2 tới trạm thu phát gốc sao cho Pr2 = 10 Pr1, ta thấy rằng người dùng 2 có tỉ số S/N cao hơn

10 lần của người dùng 1 Người dùng 2 sẽ được hưởng chất lượng thoại rất cao trong khi người dùng 1 có thể không đạt được tới tỉ số S/N tối thiểu để duy trì cuộc gọi Hơn nữa cho dù nếu người thứ nhất vừa đạt đến mức S/N tối thiểu để duy trì cuộc gọi, thì khi có thêm người thứ 3 vào có thể dẫn đến người thứ nhất và thứ 3 cùng không đạt được S/N cần thiết tức là dung lượng

hệ thống đã bị giới hạn tại điểm này

Nếu ta tiến hành điều khiển công suất, thì tất cả các người dùng tại trạm thu phát gốc đều có một công suất bằng nhau, như vậy nhiều người cùng có tỉ số S/N cần thiết để duy trì cuộc gọi của mình

Một vấn đề quan trọng khác dẫn đến việc cần thiết phải điều khiển công suất trong công nghệ CDMA, đó là hiện tượng nhận nhầm PN do công suất phát

quá lớn Ta có thể tưởng tượng như sau khi tất cả các Pilot của các BTS chỉ khác nhau một lượng n x 64 chíp Bởi sử dụng mã PN ngắn tương đương với

độ dài là 32,768 chip Nếu chúng ta dịch đi 1 chip điều đó có nghĩa là ta đã tạo ra một PN mới có độ dịch là 1 chip Tuy nhiên, trên thực tế khi độ dịch giữa các PN càng nhỏ thì sai lệch giữa chúng càng lớn vì cự ly của các BTS đến cùng một MS rất khác nhau Ta tưởng tượng một chip tương ứng với độ trễ truyền dẫn với tốc độ là 1,2288 M chip/s như vây:

Độ trễ = 1s/ 1,2288 x 106 = 0,81380µs

Khi lan truyền với tốc độ ánh sáng thì:

0,81380µs x 3 x 108 m/s = 244,14 m

Kết quả trên có nghĩa là khi hai trạm đặt cách nhau chỉ với 244,14 m so với

cự li cùng tới một thuê bao MS thì MS hiểu rằng hai sóng chủ đó là của cùng một BTS, MS sẽ thu nhận và giải mã hai tín hiệu này và kết hợp lại như phép thu phân tập đa đường Kết quả của phép thu RAKE khiến kết quả bị lỗi và coi như không thu được, MS sẽ tự giải phóng cuộc gọi bởi chất lượng đường truyền kém dưới mức ngưỡng, mà không hề biết do PN lỗi Do đó người ta phải tiến hành điều khiển công suất sao cho không sảy ra hiện tượng trên Trong mạng CDMA2000 của HT Mobile, người ta sử dụng độ lệch định thời của PN cách xa nhau chỉ có 3 (PILOT_INC=3), tức là 3*64 chip, dẫn đến dễ gặp phải lỗi kiểu như trên nếu không được điều khiển công suất tốt, tuy nhiên lại việc lấy PILOT_INC nhỏ sẽ thu được lợi ích vì tổng số PN có thể gán cho mạng tăng lên khá nhiều, thu được 170 PN, giảm độ lặp lại của PN Chính vì thế vấn đề điều khiển công suất là đặc biệt quan trọng cho mạng HT Mobile nói riêng và các mạng CDMA nói chung Do nếu công suất của một trạm được đặt quá lớn sẽ gây ra khả năng lan truyền lớn và gây lỗi nhầm PN Hơn nữa, các trạm đều có chung mã chỉ khác nhau độ lệch định thời, gây ra hệ số nhầm lẫn rất cao Hệ số nhầm lẫn này được xác định bởi hệ số Ec/I0, nhờ có

điều khiển công suất ta có thể giảm được hệ số này Tuy nhiên ta vẫn phải duy trì chất lượng cuộc gọi khi tốc độ thuê bao lớn và đồng thời tăng dung lượng cho hệ thống, sử dụng quỹ công suất tối ưu nhất cho cả hướng lên và hướng xuống Dưới đây ta sẽ trình bày hai kiểu điều khiển công suất vòng hở

và vòng kín cho hướng lên và điều khiển công suất cho hướng xuống

2.2.1 Điều khiển công suất vòng hở cho hướng lên

Điểu khiển công suất vòng hở được điều khiển bởi MS và nó không hề liên quan đến BTS, quá trình điều khiển công suất vòng hở này diễn ra liên tục ngay sau khi trạm thu phát gốc đã chấp nhận yêu cầu truy nhập của MS và sau khi MS bắt đầu truyền tín hiệu trên một kênh lưu lượng

Sau khi một cuộc gọi được thiết lập, MS tiếp tục di chuyển, công suất thu của

nó luôn thay đổi và công suất phát của nó cũng cần được thay đổi theo tương ứng MS sẽ luôn đo đạc công suất thu được từ BTS (Pr) và căn cứ vào đó quá trình điều khiển công suất vòng hở sẽ bù lại những thay đổi do môi trường xung quanh tác động và điều chỉnh công suất phát của MS bởi công thức:

Pt = -Pr – 73 + NOM_PWR + INIT_PWR +

+ Tổng các công suất hiệu chỉnh (2.13)

Điều khiển công suất vòng hở xác định theo công thức này dựa trên sự ước lượng về suy hao của công suất đường lên Việc điều khiển này để bù lại cho các suy hao sảy ra chậm nên nó không phản ứng được với những ảnh hưởng xảy ra ngắn và nhanh Vì thế người ta còn có mạch điều khiển công suất khác nữa là điều khiển vòng kín để đáp ứng yêu cầu điều khiển nhanh

2.2.2 Điều khiển công suất vòng kín cho hướng lên

Điều khiển công suất vòng kín cho hướng lên được sử dụng để bù lại những thay đổi công suất phát của MS do hiệu ứng pha đinh Rayleigh nhanh gây ra

Nó là một quá trình xử lý vòng lặp kín trong đó liên quan đến cả BTS và MS Một khi MS bắt đầu truyền thông với trạm gốc qua kênh lưu lượng, quá trình điều khiển công suất vòng kín sẽ hoạt động cùng với điều khiển công suất vòng hở Nguyên tắc hoạt động của mạch này như sau: BTS luôn luôn giám sát chất lượng của đường xuống được gửi đi từ phía MS, nếu BTS thấy chất lượng giảm xuống thì nó sẽ gửi lệnh xuống cho MS, thông qua đường xuống,

để yêu cầu MS thực hiện việc tăng công suất, còn nếu BTS giám sát thấy công suất của MS phát lên quá cao thì BTS sẽ gửi lệnh xuống yêu cầu MS giảm bớt công suất phát Sẽ mất khá nhiều thời gian cho BTS có thể tích lũy

đủ số bit cần thiết để tính toán FER Do đó người ta sử dụng Ec/I0 đánh giá chất lượng đường lên Để hoạt động điều chỉnh được nhanh thì các lệnh điều chỉnh dưới dạng các bít điều khiển công suất PCB (Power Control Bit), bởi vì việc điều khiển công suất mạch vòng kín nhằm chống lại hiệu ứng pha đinh Rayleigh nhanh, nên MS phải đáp ứng cho các lệnh điều chỉnh công suất này rất nhanh, do đó các bít PCB này được lồng vào luôn các kênh lưu lượng, mỗi bít này tượng trưng cho +1dB và –1dB

19,2 Kbps

19,2 Kbps

Các bit điều khiển công suất với tốc độ

800 bps