Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA

Trong x• hội thông tin ngày nay,mạng viễn thông có nhiệm vụ biến đổi và truyền đưa tin tức có một vai trò hết sức quan trọng. Có thể nói,mạng viến thông đ• làm thay đổi nhiều mặt của đời sống x• hội,thay đổi cách ta làm việc, học tập, vui chơi buôn bán...Vì thế, rất nhiều quốc gia trên thế giới đ• coi viễn thông là một trong các ưu tiên hàng đầu, đặt kế hoạch cho sự phát triển cở sở hạ tầng mạng viễn thông. Mạng viễn thông có hai hình thức truyền tin chính là hữu tuyến (có dây) và vô tuyến(không dây). Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu cả hai hình thức truyền thông hữu tuyến cũng như vô tuyến đ• có những bước tiến kỳ diệu. Một trong những thành tựu của hệ thống viễn thông vô tuyến là hệ thống thông tin di động tổ ong một ứng dụng có nhu cầu lớn nhất và đạt được sự phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây. Trong tương lai không xa,các hệ thống di động tổ ong kỹ thuật số sẽ trở thành phương thức thông tin vạn năng.

lời nói đầu

Trong xã hội thông tin ngày nay,mạng viễn thông có nhiệm vụ biến đổi

và truyền đa tin tức có một vai trò hết sức quan trọng Có thể nói,mạng viếnthông đã làm thay đổi nhiều mặt của đời sống xã hội,thay đổi cách ta làmviệc, học tập, vui chơi buôn bán Vì thế, rất nhiều quốc gia trên thế giới đãcoi viễn thông là một trong các u tiên hàng đầu, đặt kế hoạch cho sự pháttriển cở sở hạ tầng mạng viễn thông

Mạng viễn thông có hai hình thức truyền tin chính là hữu tuyến (có dây)

và vô tuyến(không dây) Trong những thập niên gần đây, với sự phát triểnmạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điện tử và kỹ thuật

xử lý tín hiệu cả hai hình thức truyền thông hữu tuyến cũng nh vô tuyến đã

có những bớc tiến kỳ diệu

Một trong những thành tựu của hệ thống viễn thông vô tuyến là hệ thốngthông tin di động tổ ong một ứng dụng có nhu cầu lớn nhất và đạt đ ợc sựphát triển mạnh nhất trong những năm gần đây Trong t ơng lai không xa,các

hệ thống di động tổ ong kỹ thuật số sẽ trở thành phơng thức thông tin vạnnăng

Điện thoại di động đợc đa ra đầu tiên ở hoa kỳ vào năm 1946,nhng mãi

đến những năm 80, hệ thống thông tin di động mới thực sự phát triển nhanhchóng với sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn tổ ong thế hệ thứ nhất nh: NMTcủa Bắc âu, AMPS của Hoa kỳ, TACS của Anh Đầu năm 90 đánh dấu sựphát triển của hệ thống tổ ong thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số TDMAgồm GSM (Châu âu), IS- 95 ( hoa kỳ) , JCD ( nhật bản), cũng nh sử dụng kỹthuật CDMA là IS – 95 ( hoa kỳ) Đến cuối thể kỷ 20 này những tiêu chuẩn

đầu tiên của hệ thống di động tổ ong thế hệ thứ 3 sử dụng công nghệ TDMAcải tiến và CDMA băng rộng đang đợc ngiên cứu và dần đa vào ứng dụngtrên thị trờng

Qua bớc đầu ngiên cứu và chuẩn hoá hệ thống tổ ong thế hệ thứ 3 thì cóthể thấy rằng, công nghệ CDMA sẽ trở thành 1 công nghệ chủ đạo Vì vậyviệc nghiên cứu, tìm hiểu và tiếp cận các vấn đề có tính lý thuyết và thực tếcủa công nghệ CDMA là rất cần thiết.

Nội dung của bản đồ án này bao gồm các phần sau:

ChơngI : Tổng quan về hệ thống thông tin di động.

Chơng này trình bày các đặc trng cơ bản của hệ thống tổ ong cũng nhlịch sử phát triển qua 3 thế hệ

Chơng II : Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA

Chơng này trình bày các khái niệm cơ bản về nguyên lý trải phổ, chuỗigiả tạp âm PN sử dụng cho trải phổ cũng nh các hệ thống trải phổ cơ bản.Sau đó sẽ trình bày về ứng dụng ký thuật trải phổ trong hệ thống thông tin

đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA

ChơngIII: Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA

Chơng này trình bày về các kênh trong hệ thống CDMA, nguyên lý tạokhung ,các quá trrình xử lý ( điều biến) tín hiệu của các kênh đ ờng đi và đ-ờng về trong hệ thống

Chơng IV : Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA

Chơng này trình bày 1 số vấn đề cơ bản của một hệ thống CDMA thực tế

Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của thầy Trần Chung Dũng ,đã giúp đỡ emtrong quá trình làm đồ án

Do thời gian có hạn, bản đồ án này không tránh khỏi những những thiếuxót Kính mong đợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo để bản đồ án này đợchàon thiện hơn

mục lục

Ch

ơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.Cơ sở của hệ thống thông tin vô tuyến 5

2.Hệ thống thông tin di động tổ ong 6

2.1 Các đặc trng cơ bản … 6

-Ô ( vùng phủ sóng) … 6

-Mô hìn hệ thống 8

-Nguyên lý hoạt động 10

-Phơng pháp đa thâm nhập 11

-Đờng truyền vô tuyến 13

2.2 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong……… 15

Ch ơng II: Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA 1.Tổng quan về nguyên lý trải phổ 21

2.Chuỗi giả tạp âm PN 24

2.1.Các chỉ tiêu giả ngẫu nhiên 24

2.2 Dãy ghi dịch 24

3.Các hệ thống trải phổ… 27

3.1.Hệ thống DS/SS 28

3.2.Hệ thống FH/SS 29

4.Kết hợp kỹ thuật trải phổ với công nghệ CDMA 31

4.1 Các chuỗi mã trực giao 31

4.2.Đa thâm nhập trải phổ SSMA 32

4.3.So sánh kỹ thuật CDMA với FDMA và TDMA 33

Ch ơng III Các kênh vô tuyến của hệ thống CDMA 1.Kênh vật lý 38

2.Kênh logic và nguyên lý tạo khung 38

2.1 Kênh CDMA hớng về (Hớng lên) 41

-Kênh thâm nhập (access chanel ) 41

-Kênh lu lợng về ( revert traffic chanel ) 43

2.2.Kênh CDMA hớng đi ( hớng xuống) 44

-Kênh hoa tiêu (pilot chanel) 44

-Kênh đồng bộ(synchronous) 45

-Kênh nhắn tin (page chanel) 47

-Kênh lu lợng đi (forward traffic chanel) 48

3.Xử lý kênh lôgic trớc truyền dẫn 50

3.1.Các phần tử cần thiết cho tiến trình xử lý kênh logic 52

-Bộ mã hoá vòng xoắn 52

- -Bộ mã lặp 55

-Bộ gép xen 55

-Trải phổ trực giao sử dụng hàm Walsh 55

-Bộ tạo mã dài 57

-Trải phổ chuỗi trực tiếp 59

-Trộn dữ liệu (scrambling) 60

-Điều chế QPSK và OQPSK 60

3.2 Các thông số điều chế cho từng kênh 65

-Kênh hớng về 65

-Kênh hớng đi 72

Ch ơng IV Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA 1 Máy thu RaKe 80

2 Chuyển giao 82

2.1 Khái niệm chung về chuyển giao 82

2.2 Các thủ tục chuyển giao mềm ở hệ thống CDMA IS – 95 84

3 Điều kiện công suất 93

3.1 Hiệu ứng gần xa 93

3.2 Các phơng pháp điều khiển công suất 94

3.3 Thực hiện điều khiển công suất ở hệ thống IS-95 97

Kết luận chung 100

Phụ lục 102

Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.Cơ sở hệ thống thông tin vô tuyến:

Một hệ thống thông tin vô tuyến kết nối các khách hàng tới các trung tâmdịch vụ thông tin qua 1 kênh truyền vô tuyến.Một hệ thống truyền thông vôtuyến điển hình sẽ sử dụng các máy vô tuyến di động hay cố định truyềnthông qua không gian với các tháp anten vô tuyến đặt cố định (gọi là cáctrạm gốc BS)và đến lợt nó, BS sẽ đợc liên kết với một trung tâm chuyểnmạch nhằm chuyển tiếp cuộc gọi

Ngời ta chia hệ thống thông tin vô tuyến thành 4 loại chính theo phạm vi

sử dụng của chúng : hệ thống thông tin di động tổ ong(cellular),hệ thôngthoại văn phòng(WOTS),hệ thống thoại vô tuyến kéo dài (cordless),hệ thốngtruyền thông cá nhân PCS

Các hệ thống thông tin tổ ong cung cấp vùng phủ sóng trong 1 khu vựcrộng, chẳnghạn 1 thành phố, 1 đất nớc Nhờ việc đặt rất nhiều tháp anten

Đây là một hệ thống có quy mô lớn nhất nhiều ngời sử dụng nhất

Các hệ thống thoại vô tuyến văn phòng WOTS đợc xem nh hệ thống tổong thu nhỏ, điển hình sử dụng 5ữ20 trạm gốc để có vùng phủ sóng trongmột diện tích nhỏ nh khuông viên cuả một trờng đại học, hay một khu bệnhviện Một số hệ thống thoại vô tuyến văn phòng điển hình là: DECT và IS –94

Các hệ thống thoại kéo dài cho phép một máy cầm tay (handset) truyềnthông với một trạm gốc đơn lẻ đặt trong nhà Máy cầm tay của hệ thống nàyphát tại mức công suất rất thấp và sử dụng băng tần vô tuyến không đ ợc cấpphép Vùng phủ sóng của hệ thống kéo dài điển hình là CT- 2 của Anh,Tele- go, PACS của Mỹ

Hệ thống ( hay dịch vụ ) truyền thông cá nhân PCS đợc xem nh là sự kếthợp của hệ thống tổ ong, thoại cơ quan và kéo dài, với các dịch vụ thông tintiên tiến Đây là mạng vô tuyến mới cung cấp các dịch vụ viễn thông ở Bắc

mỹ cho các khách hàng, sử dụng băng tần vô tuyến tại 1,9GHz

Việc truyền thông qua không gian đợc xem nh là sử dụng tài nguyênthiên nhiên (tần số vô tuyến ), và do đó phải đợc kiểm soát.Uỷ ban thông tinliên bang FCC của hoa kỳ kiểm soát việc sử dụng phổ tần ở nớc này, trongkhi ở Canada việc kiểm soát phổ tần do bộ viễn thông DOC ở các nớc khácviệc kiểm soát sử dụng phổ tần thờng do các cơ quan của chính phủ đảmnhiệm.

Phổ tần số có thể đợc chia thành băng cấp phép và băng không cấp phép.Băng tần cấp phép sẽ yêu cầu ngời dùng hay các nhà cung cấp phải đăng kýthì mới có quyền sử dụng Ngợc lại, băng tần không cấp phép sẽ cho ngời dùng haynhà cung cấp dịch vụ sử dụng nó mà không phải xin phép

Một hệ thống tổ ong sẽ sử dụng rất nhiều vùng phủ sóng nhỏ, còn đợc gọi là

ô(cell).Ô chính là đơn vị nhỏ nhất của mạng Trên sơ đồ địa lý quy hoạchmạng, ô có dạng một hình lục giác Trong một ô có một trạm anten để liênlạc bằng kênh vô tuyến với tất cả các máy di động có trong ô

Dạng ô đợc minh hoạ nh sau

a b c d

Hình 1.1 Mô hình ô

Trong hình vẽ trên, hình a, biểu thị vùng phủ sóng của một anten vô ớng phát đẳng hớng Đờng biên ứng với quỹ tích của các vị trí có cùng cự ly

h-đến anten mà tại các điểm đó cờng độ tín hiệu suy giảm h-đến giá trị yêu cầutối thiểu của máy thu ( độ nhạy máy thu) Hình 1.b biểu diễn tình huống haianten vô hớng giống nhau đợc thiết lập ở các khoảng cách thích hợp Khi đó,hai vùng phủ sóng (hai vòng tròn) sẽ giao nhau, dây cung chung của vùnggiao nhau là quỹ tích của các vị trí mà cờng độ tín hiệu của hai anten bằngnhau Hình 1.c biểu thị tình huống vùng phủ sóng của 1 anten vô h ớng có tấtcả các đờng biên giao nhau với vùng phủ sóng của 6 anten đặt cách đềuxung quanh 6 dây cung tạo thành hình lục giác đều,biểu thị vùng phủ sóngcủa một ô Khi máy di động MS di chuyển ra ngoài vùng đó, nó phải thựchiện chuyển giao để tiếp tục truyền thông với trạm vô tuyến của một ô khácliền kề mà hiện tại nó đang ở trong vùng phủ sóng Hình lục giác trở thành

kí hiệu ô trên bản đồ quy hoạch mạch di động

Hai đặc điểm nổi bật của mô hình tổ ong là sử dụng lại tần số và diệntích mỗi ô tơng đối nhỏ

Trong dải tần sử dụng cho hệ thống tổ ong, ngời ta chia nhỏ các nhóm kênhtần số vô tuyến Mỗi ô sẽ sử dụng một nhóm kênh tần số vô tuyến Do cannhiễu các ô kề cận nhau phải sử dụng các nhóm kênh tần số khác nhau Tuyvậy để nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần, các ô có thể sử dụng chung tần

số nếu cự ly giữa chúng đủ lớn, can nhiễu do dùng chung tần số là không

đáng kể Đặc điểm quan trọng của việc sử dụng lại tần số là can nhiễu giữacác ô dùng chung tần số sẽ phụ thuộc vào tỉ số D/R(D: cự ly giữa các ô cócùng tần số ,R: Bàn kính ô)

Trong thực tế do sự tăng trởng không ngừng tại một ô nào đó dẫn đếnchất lợng phục vụ giảm sút qúa mức ngời ta phải thực hiện việc chia tách các

ô này thành các ô nhỏ hơn Với chúng ngời ta dùng công suất phát nhỏ hơn

và mẫu sử dụng lại tần số đợc sử dụng ở tỉ lệ xích nhỏ hơn

Ngoài hai đặc điểm nổi bật nói trên ,hệ thống thông tin di động tổ ongcòn có một số các đặc trng quan trọng khác

Song công tần số

Để đảm bảo phát và thu đồng thời mà không ảnh hởng lẫn nhau, trạmgốc sẽ phát đi trên một nhóm kênh tần vô tuyến, gọi là kênh hớng đi (haykênh xuống), và thu trên một nhóm kênh tần số khác gọi là kênh hớng về(hay kênh hớng lên) Các kênh tần số đi và về ổ mỗi ô sẽ đợc tách biệt vớinhau bởi một khảng tần số nào đó

Đường thoại

Đường báo hiệu

HLR: Bộ ghi dịch định vị thờng trú VLR : Bộ ghi định vị tạm trú

BSS: Phân hệ trạm gốc EIR: thanh ghi nhận dạng thiết bị.BSC: Đài điều khiển trạm gốc BTs : Đài thu vô tuyến

MS: Máy di động OSS: Trạm điều hành và bảodỡngMSC: trung tâm chuyển mạch(còn gọi là tổng đài di động)

Trong mỗi phân hệ trạm gốcBSS,Một bộ điều khiển trạm gốc BSC sẽ

điều khiển một nhóm các BTS về các chức năng nh chuyển giao,điều khiểncông suất

Trong mỗi mỗi một phân hệ chuyển mạch S, một trung tâm chuyển mạchcòn gọi là tổng đài mạng di động MSC, phục vụ nhiều BSC, hình thành cấpquản lý lãnh thổ gọi là vùng phục vụ MSC, gồm nhiều vùng định vị Hình vẽ1.3 dới đây sẽ nêu 1 ví dụ phân cấp cấu trúc địa lý của một mạng tổ ong

Hình vẽ 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động tổ ong

GSM

Do đặc tính di dộng của MS, mạng phải theo dõi liên tục MS để xác

định rằng MS hiện đang ở ô nào Việc phân cấp cấu trúc địa lý có thêm vùng

định vị sẽ có u điểm là giữ cho số lợng bản tin thông báo tìm gọi không quálớn, đồng thời số lợng thông báo cập nhật vị trí của MS cũng không quá lớn.Bởi vì, khi MS di chuyển từ ô này sang ô khác cùng một vùng định vị thì nó

Vùng phục vụ GSM

Vùng phục vụ PLMN Vùng phục vụ MSC

Vùng định vị và tìm gọi

Ô(cell) Chỉ có

1 BTS

sẽ không phải thông báo gì cho mạng chỉ khi MS chuyển sang 1 vùng định

vị khác thì mới phải thông báo cho mạng về vùng định vị này

Yêu cầu quản lý nhiều mặt đối với MS của mạng di động tổ ong dẫn đếncác cơ sở dữ liệu lu trữ phải lớn Bộ đăng ký định vị thờng trú HLR chứathông tin về thuê bao nh các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn, các tham số nhậnthực vị trí hiện thời của MS đợc cập nhật qua bộ đăng ký định vị tạm trúVLR cũng đợc chuyển đến HLR

Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các tham sốnhận thực và các khoá mật mã

Khi MS di động vào một vùng phục vụ mới, thì VLR sẽ yêu cầu HLRcung cấp các số liệu về vị trí khách mới này,đồng thời VLR cũng thông báocho HLR biết MS đang ở MSC nào VLR phải có tất cả các thông tin cầnthiết để thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu ngời dùng Một MSC đặc biệt gọi làMSC cổng – GMSC, sẽ có chức năng kết nối giữa mạng di động và cácmạng khác

Máy di động MS gồm hai phần: modul nhận dạng thuê bao SIM, và thiết

bị thu báo hiệu ME

Trong phân hệ chuyển mạch SS còn có thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR,chứa số liệu phần cứng của thiết bị.EIR đợc nối với MSC có thể kiểm tratính hợp lệ của thiết bị

Cơ chế hoạt động

Trong mạng cố định, thiết bị đầu cuối nối với mạng Do đó, tổng đàimạng cố định có thể liên tục giám sát đợc trạng thái nhấc đặt của tổ hợpmáy điện thoại, để phát hiện cuộc gọi đến từ thuê bao Đồng thời thiết bị

đầu cuối luông sẵn sàng tiếp nhận chuông khi có cuộc gọi đến Nh ng trongmạng di động, vì số kênh vô tuyến quá ít so với số thuê bao MS nên kênh vôtuyến phải đợc cấp phát theo kiểu động Việc gọi đợc và thiết lập cuộc gọi

đến MS cũng khăn hơn trong mạng cố định

Khi cha có cuộc gọi, MS phải lắng nghe thông báo tìm gọi nó nhờ mộtkênh đặc biệt gọi là kênh quảng bá hay kênh nhắn tin Một cuộc gọi đến MS,

và từ MS đi sẽ yêu cầu hệ thống cho phép MS thâm nhập vào hệ thống đểnhận đợc 1 kênh vô tuyến Thủ tục thâm nhập đợc thực hiện trên một kênhquảng bá là các kênh dùng chung vì nó phục vụ cho nhều MS Kênh mà MS

đợc cấp phát để thực hiện cuộc gọi là kênh dành riêng

MS sẽ có hai trạng thái chính

+ Trạng thái chờ:

MS lắng nghe kênh quảng bá

+ Trạng thái truyền tin:

MS đợc cấp phát kênh truyền tin song công để truyền tin song công

Thủ tục thâm nhập của MS cho phép nó chuyển từ trạng thái chờ sangtrạng thái truyền tin

Quá trình chuyển giao:

Thông thờng ,một cuọc gọi có thể không thực hiện xong trong phạm vimột ô Vì thế mạng tổ ong phải có khả năng điều khiển và chuyển mạch đểchuyển tiếp cuộc gọi từ ô này sang ô khác mà không ảnh hởng đến chất lợngcuộc gọi Quá trình này đợc gọi là quá trình chuyển giao

Các phơng pháp đa thâm nhập :

Trong một ô, mỗi trạm gốc sẽ liện lạc với nhiều MS Qua giao diện vôtuyến, máy di động MS có thể thiết lập hay nhận một cuộc gọi tới/từ bất kỳmột thuê bao nào khác Việc phân chia kênh lu lợng cho MS đợc gọi là kỹthuật đa thâm nhập Có 3 phơng pháp đa thâm nhập sử dụng chủ yếu là:FDMA, TDMA, CDMA

+ Đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA:

ở phơng pháp này, độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống là B MHz đ ợcchia thành n băng tần con Mỗi băng tần con đợc ấn định cho một kênh riêng

có độ rộng băng là B/n MHz ở dạng thâm nhập này, các máy thuê bao sẽphát đồng thời sóng mang ở các tần số của nó.Giữa các kênh phải có khoảngbảo vệ để chống sự can nhiễu

Các hệ thống FDMA đợc sử dụng từ rất sớm ,đã qua thực tế khai thácnhiều năm,có tính ổn định cao và giá thành hạ Tuy nhiên hạn chế chính của

hệ thống là không linh hoạt khi cần thay đổi lu lợng, dung lợng hệ thốngkhông cao, vấn đề tần số và công suất sẽ rất phức tạp khi số l ợng thuê baotăng lớn

Hình vẽ 1.4 Khái niệm phân bố tần số a/ và phân định kênh b/ trong

FDMA

+ Đa thâm nhập theo thời gian TDMA

Biểu đồ thời gian của hệ thống TDMA đợc chia thành các khung, mỗikhung có n khe thời gian Mỗi khe thời gian dành cho truyền dẫn tín hiệucủa một thuê bao sóng mang của thuê bao có thể chiếm toàn bộ băng tầndành cho kênh vô tuyến

MS 3

MS 2MS1

Kênh 3Kênh 2Kênh 1Khoảng bảo vệ

TS1

Tf

.f

TS: 1 khe thời gian

TB: thời gian truyền tín hiệu của thuê bao

Tf: thời gian của một khung

Hình vẽ 1.5-Nguyên lý TDMA

Với kiểu thâm nhập này, hệ thống sẽ dễ dàng và linh hoạt đáp ứng nhucầu gia tăng lu lợng bằng cách phân thêm khe thời gian hoặc mở rộng khethời gian đối với thuê bao có lu lợng lớn Tuy nhiên vấn đề điều khiển và

đồng bộ trong hệ thống yêu cầu nghiêm ngặt, cấu trúc hệ thống khá phứctạp, giá thành tơng đối cao

+Đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA

Tín hiệu của các thuê bao khác nhaucó thể sử dụng chung 1 băng tần vàdợc phát đi ở cùng 1 khe thời gian.Các kênh này đợc phân biệt với nhaubằng 1 mã khác nhau.Kỹ thuật trải phổ sử dụng trong hệ thống CDMA sẽgiúp các kênh vo tuyến không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện dùngchung tần số và thời gian

Hình vẽ 1.6 – Nguyên lý CDMA

Các đặc tính đờng truyền vô tuyến

Đặc tính đờng truyền trong hệ thống thông tin di động là rất quan trọng

Nó ảnh hởng nhiều đến chất lợng cuộc gọi Suy hao đờng truyền trung bình

MS4

MS3MS2

MS1f

tBăng tần

của hệ thống

có thể rất lớn do chiều cao anten của MS rất là thấp, đồng thời do điều kiệnkênh truyền thay đổi nhanh vì sự di động của MS

Đặc tính truyền dẫn có thể đợc chia thành 3 thành phần chủ yếu:

- Suy hao đờng truyền do khoảng cách

- Hiệu ứng che khuất

- Pha đinh nhiều tia

Trong môi trờng truyền sóng không gian tự do lý tởng thì suy hao đờngtruyền sẽ tỉ lệ thuận với bình phơng cự ly Khi kông có vật trở ngại giữa vàxung MS với BS thì suy đờng truyền giống nh trong không gian tự do Tuyvậy thực tế có rất nhiều chớng ngại vật ổ giữa MS và BS, nên suy hao đờngtruyền đợc xác định bởi rất nhiều yếu tố Vd: địa hình tự nhiện, các côngtrình nhân tạo .CCIR đã chấp nhận mô hình truyền sóng Hata, sử dụngcông thức Hata để tính suy hao đờng truyền Công thức này sẽ khác nhaucho các mô hình đô thị, mô hình ngoại ô, và mô hình nông thôn

Hiệu ứng che khuất do các vật cản gây ra (toà nhà, cây cối ) Trong hệthống di động, hiệu ứng này làm cờng độ tín hiệu thăng giáng ngẫu nhiên

Do mật độ xác suất của cờng độ trờng phân bố theo một đờng cong chuẩnlogarit theo thời gian, nên ta còn gọi hiệu ứng này là pha đinh chuẩn logarit Tín hiệu truyền từ phía phát đến phía thu ngoài dờng trực tiếp còn theorất nhiều đờng khác do hiện tợng phản xạ Pha và biên độ của các tia này

đều biến đổi rất ngẫu nhiên Hiệu ứng nhiều tia sẽ dẫn đến pha đinh nhiềutia hay còn gọi là pha đinh Rayleigh, làm cho tín hiệu biến thiên rất nhanh

và sâu

Một kỹ thuật đợc sử dụng phỏ biến để làm giảm ảnh hởng của đặc tínhtruyền dẫn mà chủ yếu làm ảnh hởng của pha đinh là kỹ thuật phân tập Tồntại nhiều biểu đồ phân tập khác nhau nhng sử dụng nhiều nhất là các biểu

đồ: Phân tập không gian, phân tập phân cực, phân tập tần số,phân tập thờigian

+Phân tập không gian:

Là phơng pháp truyền cùng một tín hiệu bằng hai anten đặt cách nhaumột khoảng nào đó dể tránh can nhiễu.ở phía thu cũng sử dụng hai anten

nh phía phát Hai anten này sẽ thu đợc cùng một tín hiệu vô tuyến nhng chịucác điều kiện pha đinh khác nhau Khi kết hợp hai tín hiệu từ hai nhánhanten này sẽ giảm đợc sự biến thiên nhanh và sâu của pha đinh nhiều tia + Phân tập phân cực:

Trong biểu đồ phân tập này một ítn hiệu sẽ đợc phát bởi hai anten phâncực và cũng đợc thu bởi hai anten phân cực

+Phân tập tần số:

Với phơng pháp phân tập này, cùng một tín hiệu sẽ đợc truyền trên nhiềutần số khác nhau Các tần số này phải đợc cách nhau một khoảng nào đó đểtránh can nhiễu giữa chúng Ưu điểm của phơng pháp là ta có thể thực hiện

đợc nhiều nhành phân tập, nhng nhợc điểm là yêu cầu phổ tần rộng hơn cácphơng pháp khác

+ Phân tập theo thời gian:

Khi truyền cùng một tín hiệu tại các khe thơi gian khác nhau cách nhaumột khoảng thích hợp cũng có thể thu đợc các nhánh phân tập

1.2.2.Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong:

Hệ thống thông tin di động tổ ong đã phát triển qua 2 thế hệ và đang dầntiến lên thế hệ thứ 3 Hình vẽ dới đây sẽ trình bày quá trình phát triển của hệthống

Hệ thống tổ

ong tương tự Hệ thống tổ ong số Hệ thống tổ ong thế hệ

thứ 3

NTT Nhật Bản

JCD

Công nghệ CDMA

Hình vẽ 1.7 - Quá trình phát triển của hệ thống thông tin tổ ong.

Hệ thống tổ ong thế hệ thứ nhất

Hệ thống này sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu tơng tự và công nghệ đathâm nhập phân chia theo tần số FDMA Hệ thống tổ ong tự động tơng tự

đầu tiên trên thế giới đợc đa vào hoạt động bởi NTT của Nhật Bản vào năm

1979 Năm 1981, hệ thống thoại tổ ong của Bắc Âu NMT bắt đầu đ ợc khaithác ở nhiều nớc khu vực Bắc Âu Hệ thống tổ ong tơng tự đầu tiên của Hoa

Kỳ với tên gọi là hệ thống thoại tiên tiến AMPS chính thức hoạt động vàonăm 1983 Năm 1985, hệ thống truyền thông di động TACS bắt đầu khaithác ở nớc Anh Sau đó cùng với sự phát triển nhanh của số l ợng thuê bao,

ra đời thêm nhiều hệ thống thoại tơng tự, hệ thống sau là sự nâng cấp của hệthống trớc, ở Nhật Bản sau khi hệ thống MSC- L1 ra đời, do hạn chế của nó

mà hệ thống MSC- l2 đợc phát triển Ngoài ra tại Nhật Bản còn có một số hệthống cạnh tranh khác là: JTACS và NTACS Hai hệ thống này đều là phiên

bản nâng cấp của hệ thống số, ngời tiêu dùng không chấp nhận nó, hãngMotorola đã giới thiệu hệ thống AMPS băng hẹp (NAMPS) vào năm 1991.Với một số thay đổi trong về băng tần, thì hệ thống NAPMS có thể phục vụnhiều thuê bao hơn hệ thống AMPS ban đầu mà không cần thêm các ô mới.Chuẩn NAMPS đầu tiên đợc gọi là IS- 98.

Hệ thống CNET là hệ thống tổ ong tơng tự đợc sử dụng ở Đức, Bồ ĐàoNHa và Nam Mỹ, vận hành đầu tiên vào năm 1985 Mục đích chủ yếu của hệthống CNET là hệ thống trung gian để chờ đến khi hệ thống số ở Châu Âu

Ưu điểm của hệ thống tổ ong thế hệ thứ nhất là chất lợng cuộc thoại rấttốt, điều này do sử dụng công nghệ FDMA, mỗi tín hiệu chiếm chọn 1 dảitần Tuy nhiên, vì thế cũng dẫn đến nhợc điểm lớn của hệ thống là, do phổtần có hạn, dung lợng thuê bao thấp, việc tăng dung lợng thuê bao thực hiệnrất khó khăn

Do vậy, với sự gia tăng không ngừng về số lợng thuê bao đòi hỏi phải cócác hệ thống đảm bảo dung lợng cao hơn, thay đổi dung lợng linh hoạt hơn

Và cùng với sự phát triển của hệ thống tổ ong tơng tự, nhiều hiệp hội đãnghiên cứu để đa ra các khuyến nghị cho hệ thống tổ ong thế hệ tiếp theo

TDMA IS - 54 phiên bản 0 không đáp ứng đợc nhu cầu của ngời sử dụng,chất lợng của nó tỏ ra thua kém so với hệ thống tơng tự Rất gần nhau, cáchãng lại tung ra các chuẩn mới( gồm cả chuẩn số và tơng tự) để đáp ứng nhucầu của thị trờng Các chuẩn số bao gồm IS- 54 phiên bản A, rồi IS - 54phiên bản B còn gọi là IS 138 hay DAMPS tiếp tục phát triển kỹ thuậtTDMA, và IS -95 sử dụng công nghệ CDMA Do hệ thống số đ a ra khi mà

hệ thống tơng tự đã phát triển mạnh, nên IS- 54 phiên bản 0 vầ cả IS -95 đều

hỗ trợ hai chế độ hoạt động tơng tự số Chỉ có hệ thống IS- 136 là hoạt độnghoàn toàn ở chế độ số

Khác với Hoa kỳ,chỉ a chuộng hệ thống tổ ong AMPS, ở Châu âu đã pháttriển khá nhiều hệ thống tổ ong tơng tự không tơng thích nhau, nh TACS,NMT, CNET…Vào năm 1982, hiệp hội bu chính viễn thông Châu âu - CEPT,

đã tổ chức hội thoả bắt đầu quá trình chuẩn hoá cho 1 hệ thống tổ ong duynhất ở thế hệ phát triển tiếp theo Khung của tiêu chuẩn đ ợc đa ra trong hộithảo này đợc hoàn thiện dần, và về sau gọi là hệ thống thông tin di độngtoàn cầu GSM Chuẩn này tơng thích với mạng số ISDN vầ sử dụng báo hiệu

số 7 Năm 1990, pha 1 của tiêu chuẩn GSM hoạt động ở bănng tần 1,8 GHzsau đó một vài hệ thống GSM 900 MHz cũng đợc đa vào khai thác Phần 2của hệ thống cũng đã đợc hoàn thiện,đa vào các dịch vụ mới, cải thiện khảnăng truyền dẫn số liệu

Tại Nhật bản, hệ thống tổ ong thế hệ thứ 2 đợc chuẩn hoá vào năm1991bởi trung tâm nghiên cứu và phát triển hệ thống vô tuyến RCR( hiện nay gọi

là ARIB) Hệ thống này còn gọi là hệ thống tổ ong số cá nhân PCD( trớc đâygọi là hệ thống JCD ) Hệ thống PCD sử dụng kỹ thuật thâm nhập TDMAhoạt động ở băng tần 900 vầ 1400MHz

Hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ 3 G3:

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 tuy có các u điểm nổi bật và

đang phát triển để đáp ứng nhu cầu của thị trờng,nhng rõ ràng vẫn cha phải

là hệ thống của tơng lai, không đáp ứng đợc đòi hỏi ngày càng cao của ngời

tiêu dùng Vì thế các hiệp hội vầ các tổ chức viến thông trên thế giới đã và

đang ngiên cứu để thoả mãn các đặc tính sau :

- Có khả năng hỗ trợ 1 phạm vi rộng các dịch vụ thoại và phi thoại, bănghẹp và băng rộng, đa vào các dịch vụ tiên tiến

-Tốc độ của kênh phải đạt 64 Kb/s bằng với tốc độ cơ sở của mạng số đadịch vụ ISDN

-Khả năng tơng thích cao với các mạng khác, có tiêu chuẩn thống nhất để

có thể đợc xem nh là một phần của mạng ISDN trong tơng lai

Hiện nay, có hai tiêu chuẩn hệ thống di động thế hệ th3, là hệ thống di

động đa năng UMTS của Viện tiêu chuẩn Châu âu và hệ thống di động quốc

tế IMT-2000 của hiệp hội viễn thông Hoa kỳ ITU

Với hệ thống UMTS, do sự phát triển trớc đây và những thành côngmang tính toàn cầu của hệ thống GSM mà hệ thống này đợc xây dựng trêncơ sở hạ tầng và các kỹ thuật của GSM hiện thời Tuy nhiên, UMTS cũng cógiao diện vô tuyến mới là giao diện vô tuyến mặt đất UTRA và sử dụng băngtần 2GHz Vào năm 1998, ETSI đã da ra quyết định về giao diện vô tuyếncủa UMTS.2 giao diện đợc dự kiến là:

+Trong băng tần kép, hệ thống sẽ sử dụng song công tần số FDD và kỹthuật đa thâm nhập W- CDMA

+Trong băng tần đơn, sử dụng song công phân chia theo thòi gian TĐ, hệthống chấp nhận kỹ thuật đa thâm nhập TRAO đặI- CDMA, là một dạng kếthợp giữa TDMA và CDMA

Thảo luận về ITM- 2000 đợc ITU tháp tổng hợp thực hiện năm 1999.Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập W- CDMA Xét trên khía cạnhdịch vụ, chuẩn này cung cấp 2 cơ chế:

+ Cơ chế cho phép tạo lập các dịch vụ bổ xung gồm việc tạo và thực thicác thủ tục giao diện ngời - máy MNI cho máy di động

+ Cơ chế cho phép định nghĩa các chức năng tơng tác mạng, thích hợpvới việc tạo các dịch vụ xa và hay các ứng dụng ngời dùng cuối, gồm việc

tải xuống thực thi các chức năng này tại các máy di động và các phần tửmạng tơng ứng.

Chơng 2

Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA.

2.1.Tổng quan về nguyên lý trải phổ:

Tần số vô tuyến đợc coi là một tài nguyên thiên nhiên quan trọng củaquốc gia Việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài nguyên này ngày càng trở nênquan trọng Bởi vì, phổ tần số nhất định Tuy vậy ngày càng có nhiều côngnghệ và dịch vụ thông tin tranh nhau chiếm đoạt từng phần phổ tần vô tuyến

có quý giá này Đặc biệt, nhu cầu về phổ tần vô tuyến càng tăng nhanh khi

ra đời các hệ thống thoại tổ ong, và các dịch vụ mới

Do đó việc quản lý sử dụng phổ tần là rất quan trọng và không kémphần phức tạp vì tính đa dạng của các dịch vụ và công nghệ liên quan Trớc

đây, vấn đề này đợc giả quyết bằng cách cấp phát các băng tần khác nhaucho các dịch vụ khác nhau nh: thông tin quảng bá ( phát thanh,truyềnhình…), di động, vô tuyến nghiệp d Mới đây đã xuất hiện một phơngpháp khác để giải quyết vấn đề này Phơng pháp này dựa trên khả năng chophép các loại dịch vụ khác nhau(sử dụng các phơng pháp điều chế khácnhau)sử dụng chung băng tần mà không gây nhiễu đáng kể Phơng pháp này

đợc gọi là điều chế trải phổ SS( Spread spectrum), và đặc biệt phát huy tácdụng khi kết hợp với kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA

ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng tín hiệu đợc mở rộng, thôngthờng hàng trăm lần trớc khi đợc phát Khi chỉ có một ngời sử dụng băng tần

SS, sẽ không đạt hiệu quả Nhng hiệu quả sử dụng băng tần thực sự tăng lêntrong môi trờng đa ngời dùng Một hệ thống thông tin thực hiện kỹ thuật trảiphổ sẽ có các đặc trng sau:

-Băng tần truyền dẫn sẽ lớn hơn rất nhiều băng tần tối thiểu để phátthông tin

-Trải phổ số liệu đợc thực hiện nhờ một mã độc lập với dữ liệu và cótốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ dữ liệu

-Tại phía thu, việc nén phổ đợc hiện nhờ việc tơng quan giữa tín hiệutrải phổ thu đợc và bản sao đã đợc đồng bộ của mã giả tạp âm đã sử dụng đểtrải phổ phía phát

Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với tín hiệu bănghẹp Cụ thể là:

Khả năng đa thâm nhập:

Khi mhiều ngời truyền tín hiệu đã trải phổ tại cùng một thời điểm,máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với ngời sử dụng, do mỗi ngời cómột dãy mã duy nhất và các mã này đảm bảo mức tơng quan chéo đủ nhỏ.Máy thu khôi phục lại thông tin ban đầu bằng cách tơng quan tin hiệu thu đ-

ợc với mã trải phổ ứng với mỗi ngời sử dụng nào đó Điều này sẽ làm chochỉ có phổ tín hiệu của ngời sử dụng đó bị thu hẹp lại trong khi tín hiệu cuảnhững ngời sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn Trongbăng tần thông tin chỉ có công suất tín hiệu của ngời sử dụng đang quan tâm

là lớn Nguyên tắc này đợc mô tả nh sau:

Hình vẽ 2.1 Nguyên lý đa thâm nhập.

Hình 1.8a Là tín hiệu đợc trải phổ của các tín hiệu băng tần hẹp và tín

hiệu trải phổ của hai ngời sử dụng truyền đi cùng một băng tần và tại cùngmột thời điểm

Hình 1.8b Tại máy thu, chỉ có tín hiệu của ngời 1 đợc nén lại và dữ

liệu ban đầu đợc khôi phục

Khả năng chống nhiễu đa đờng:

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đờng khác nhau ngoài đờng trục trựctiếp do các nguyên nhân phản xạ Các tín hiệu đa đờng này có biên độ và

pha khác nhau sẽ làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và giảm tín hiệutổng ở các tần số khác Trong miền thời gian, hiện tợng này làm tín hiệu bịgiãn rộng.

Với tín hiệu trải phổ, do tính chất tự tơng quan của mã trải phổ nhỏ, sẽlàm giảm đáng kể nhiễu đa đờng

Khả năng bảo mật :

Tín hiệu đợc truyền đi chỉ có thể đợc nén phổ và dữ liệu ban đầu đợckhôi phục khi máy thu biết mã trải phổ đã sử dụng Mã trải phổ này thực sựmang tín chất ngẫu nhiên không thể đoán trớc đợc đối với các máy thu tráiphép

Khả năng loại trừ nhiẽu:

Việc tơng quan giữa mã trải phổ và tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộngcông suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trongbăng tần thông tin

a b

Hình vẽ 2.2 a Tín hiệu S bị ảnh hởng b.Sau khi giải trải phổ

Tại phía thu, tín hiệu trải phổ đợc nén trong khi nhiễu băng hẹp bị trảiphổ làm nó xuất hiện nh một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn

Có 2 kỹ thuật trải phổ cơ bản mà ta xét ở đây là trải phổ dãy trực tiếpDS/SS ( Directed sequence) và trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequencyhopping) Trong đó, trải phổ chuỗi trực tiếp có nghĩa tín hiệu mang thông tin

đợc nhân trực tiếp với mã trải phổ tốc độ cao, còn trải phổ nhảy tần là: sóngmang có tần số thay đổi theo quy luật của mã trải phổ

2.2 Chuỗi giả tạp âm PN:

2.2.1.Các chỉ tiêu giả ngẫu nhiên;

is

si

Các tín hiệu trải phổ băng rộng tựa tạp âm đợc tạo ra bằng cách sửdụng các chuỗi mã giả tạp âm PN.Lu ý rằng các chuỗi này phải đợc tạo rabằng cách xác định, và có thể nhận biết đợc một cách chính xác ở cả bênphát và bên thu Tuy vậy, chúng lại phải thể hiện giống hệt ngẫu nhiên vớicác máy thu không mong muốn Có 3 chỉ tiêu cơ bản có thể áp dụng cho cácdãy nhị phân tuần hoàn, nh là một chỉ tiêu của sự xuất hiện ngẫu nhiên Đólà:

Tính tơng quan:

Nếu so sánh từng bit trong 1 chu kỳ của dãy mã với từng bit tơng ứngcùng vị trí dãy mã đó, nhng đợc dịch đi 1 vị trí bất kỳ thì để đảm bảo tính t-

ơng quan, số các số hạng phù hợp và số các số hạng không phù hợp chênhlệch nhau không quá 1

2.2.2 Dãy ghi dịch:

Một phơng pháp phổ biến nhất để tạo ra dẫy mã giả ngẫu nhiên PNchính là sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp LFSR Dãy PN, mà bộ LFSR tạo ra cóchu kỳ ( 2r – 1) với r : số phần tử nhớ, đợc gọi là dãy có độ dài cực đạiMLSR, hay dãy m

Đồng hồ, f = 1/Tc

a./LFSR cã ®a thøc t¹o m·: Px = x1 + x2 + x3 + xn

0010111

D110010111D211001011D311100101

Tr¹ng th¸i thanh ghi dÞch

hÕt chu kú

Chuçi

ra (1 chu kú)

b./ LFSR có đa thức tạo mã Px = 1 + x2 + x3

Hình vẽ 2.3 Sơ đồ khối bộ ghi dịch LFSR

Hình vẽ 2.3,a là sơ đồ tổng quát của một bộ ghi dịch LFSR, có n

Flip-Plop mắc nối tiếp thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp các cổng XOR và cáckhoá Ki Sự lựa chọn giá trị N sẽ làm thay dổi độ dài của dãy PN, còn trạngthái nối thông hoặc hở mạch của khoá Ki sẽ làm thay đổi đặc tính của dãyPN( hay đa thức tạo mã)

Hoạt động của bộ ghi dịch đợc điều khiẻn bởi các xung nhịp đồng hồ.Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ sẽ dịch sangphần tử nhớ bên phải Đồng thời, nội dung của các phần tử nhớ thứ i có khoá

Ki nối thông sẽ đợc cộng modul-2 và hồi tiếp

Trong ví dụ hình b thì nội dung của phần tử nhớ thứ 2 và thứ 3 đợccộng modul-2 và hồi tiếp về phần tử nhớ thứ1 Giả thiết trạng thái ban đầucủa các FF là: 111 Các trạng thai kế tiếp sẽ là : 011 001 100 010 101 110

111 Trạng thái cuối 111 trùng với trạng thía ban đầu, nên thanh ghi dịchhồi tiếp sẽ lặp lại sau 7 xung nhịp Dãy bit ra trên phần tử D3 là 1110010.Ngời ta đã chứng minh đợc rằng, dãy bit đối với sơ đồ tổng quát hình a làmột dãy giả ngẫu nhiên

Ta kiểm chứng trên ví dụ hình b bằng cách xét 3 tính chất ngẫu nhiêncho dãy bit ra ở D3 = 1110010

3.Tính tơng quan:

26

0010111

D110010111D211001011D311100101

Cho dãy gốc dịch đi i vị trí(i=0ữ6) rồi so sánh với dãy gốc ta đợc:

Máy phát DS/SS Máy thu DS/SS

Hình vẽ 2.4 Sơ đồ khối và dạng tín hiệu trong trải phổ DS/SS

Trong phơng pháp này, tín hiệu dữ liệu đợc nhân trực tiếp với mã trảiphổ ( phép XOR phủ định), sau đó tín hiệu thu sẽ đem điều chế sóng mangbăng rộng Bộ điêu chế băng rộng thờng là điều chế PSK

Tín hiệu trải phổ,M(t).Ci(t)

Phía thu sẽ sử dụng giải điều chế để nén tín hiệu trải phổ, sử dụng dãymã nội bộ, đợc đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu đợc.

Qúa trình này cụ thể nh sau:

- Bản tin của tín hiệu số cần phát có dạng mã lỡng cực với Mi(t) = ± 1,

đợc nhân trực tiếp với chuỗi mã Ci(t) đợc tạo ra từ bộ tạo mã giả ngẫu nhiênci(t0 = { ci1,ci2 }

Chuỗi mã giả ngẫu nhiên này nằm trong tập các chuỗi mã giả ngẫunhiên trực giao với nhau: Cn(t) = { c1(t),c2(t), ci(t) }

Tốc độ của bản tin đợc gọi là tốc độ bit, Rb, nhỏ hơn rất nhiều lần sovới tốc độ chuỗi mã Rc ( tốc độ chip) Chuỗi mã giả ngẫu nhiên này có độdài L ( chip) và tốc độ chip Rc Mỗi bit của bản tin sẽ có độ lâu: Tb = Tc.L

Do chuỗi mã Ci(t) có tốc độ chip lớn hơn rất nhiều lần so với tốc độ bit Rbcủa tần số cần phát Vì thế, phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên sẽ rộng hơn rấtnhiều so với phổ của tín hiệu cần sau khi nhân hai tín hiệu, ta sẽ đ ợc một tínhiệu có phổ rất rộng và biên độ mật độ phổ rất thấp Đây gọi là qúa trình trảiphổ bằng chuỗi trực tiếp DS/SS

Sau đó, tín hiệu này đợc đa lên kênh vô tuyến

ở phía thu quá trình diễn ra ngợc lại

2.3.2 Đa thâm nhập theo chuỗi nhẩy tần FH/S:

Hệ thống FH/SS thực chất là nhẩy tần hay chuyển đổi tần số sóng mang

từ giá trị này sang giá trị tần số khác Tần số sóng mang sẽ không đổi trongkhoảng thời gian của một đoạn nhẩy tần và sẽ chuyển sang một tần số mớikhi sang đoạn nhẩy tần mới Giá trị mà tần số sóng mang sẽ chuyển sangnằm trong một tập hợp các tần số, và việc tần số sóng mang nào đợc chọn sẽxác định nhờ chuỗi giả tạp âm PN Khác với hệ thống DS/SS thì chuỗi DS/SSthì chuỗi FH/SS chỉ có nhiệm vụ xác định mãu nhẩy tần Mặt khác, hệ thốngDS/SS sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống khi nó truyền dẫn, trong khi

hệ thống FH chỉ sử dụng 1 phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ thời giantruyền dẫn

a Sự khác biệt giữa DS/SS và FH/SS

b.Sơ đồ hệ thống.

Hình vẽ 2.5- Hệ thống FH/SS

ở phía phát, tín hiệu số nhị phân sẽ đợc chuyển sang tơng tự nhờ bộ

điều chế băng gốc( thờng là điều chế FSK) Tần số sóng mang của bộ điềuchế băng gốc nhỏ hơn rất nhiều so với tần số ra của bộ tổng hợp tần số Haitần số này đợc trộn với nhau để tạo ra tín hiệu truyền dẫn Tập hợp các giátrị tần số trải dài trên 1 băng tần rất rộng Vì thế, khi tần số truyền dẫn chỉ

có giá trị xác định trong 1 khoảng thời gian nhỏ, nhng xét trong miền thời

Điều chế

băng gốc

Bộ trải phổ

Tổng hợptần số

Bô tạo

mã

Giải trảiphổ Giải điềuchế

Tổng hợp

Bộ tạomã

Bám dồng bộ

gian, thì tín hiệu truyền dẫn sẽ chiếm một băng tần rất rộng so băng tầngiành cho tín hiệu thông tin.

ở phía thu, tín hiệu nhận đợc sẽ đổi tần xuống tần số mang băng gốc nhờ bộtổng hợp tần số đợc điều khiển bởi mã trải phổ phát ra từ bộ phát mã nội bộ.Sau khi giải đều chế sóng mang băng gốc sẽ thu đợc tín hiệu ban đầu

Có hai hệ thống trải phổ nhảy tần là hệ thống FH/SS nhanh và hệ thốngFH/SS chậm tuỳ theo tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ sốliệu Gọi TH là thời gian cho một đoạn nhảy và Tb là thời gian của một bit sốliệu, với hệ thống FH/SS nhanh ít nhất phải có một lần nhảy ở 1 bit số liệu,nghĩa là Tb ≥ TH Còn hệ thống FH/SS chậm,một lần nhảy có thể ở hai haynhiều bit, tức là Tb < TH

2.4- ứ ng dụng lý thuyết trải phổ vào hệ thống CDMA ( hay đa thâm nhập trải phổ)

2.4.1- Các chuỗi mã trải phổ trực giao.

Dãy tín hiệu giả tạp âm PN sẽ đợc trải phổ cùng với tín hiệu thông tin để tạo

ra 1 tín hiệu có băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần cần thiết để truyềntín hiệu Trong môi trờng nhiều ngời dùng, mỗi ngời sẽ đợc cung cấp 1 mãgiả tạp âm PN riêng Tại phía thu, tín hiệu mong muốn sẽ xếp chồng lên cáctín hiệu của kênh khác Nh vậy tất cả các tín hiệu khác với tín hiệu mongmuốn dù có mang thông tin hữu ích dều sẽ bị coi là tạp âm, với tín hiệumong muốn Lý thuyết chứng minh rằng nếu sử dụng mã trực giao với nhau

sẽ đảm bảo phía thu tách đợc tín hiêụ mong muốn trong môi trờng đa kênh,với mức can nhiễu của các kênh khác là ít nhất

Giả sử tập các chuỗi mã giả ngẫu nhiên có dạng:

Sẽ có giá trị âm hay dơng tơng đối nhỏ lý tởng bằng không

Các dãy PN trực giao thờng sử dụng là: Dãy có độ cực đại ( dãy m), dãyGold, dãy Walsh

2.4.2-Đa thâm nhập trải phổ SSMA :

Phơng thức đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA là phơng thức mà

ở đó mỗi ngời sử dụng sẽ cấp phát 1 mã duy nhất để nhận dạng với nhautrong môi trờng đa ngời dùng chính là mã trải phổ trực giao Do đặc điểmcủa hệ thống CDMA là nhiều ngời sử dụng chung một băng tần và tín hiệutruyền đi trong cùng 1 khoảng thời gian nên mã trải phổ phải đ ợc thiết kế đểvừa có tính nhận dạng vừa đảm bảo phía thu có thể khôi phục tín hiệu mongmuốn đang xếp chồng với các tín hiệu từ các kênh khác

Trong hệ thống DS-CDMA, mỗi ngời đợc phân bổ 1 mã PN duy nhất cótính tơng quan chéo thấp, cho phép nhiều ngời sử dụng chung 1 băng tầnrộng Vì tín hiệu có ích đợc nhận trực tiếp với mã trải phổ, nên tính tơngquan chéo thấp của mã trải phổ đảm bảo mức can nhiễu của nhiều ng ời dùngkhác sang tín hiệu mong muốn là nhỏ

Trong hệ thống FH-CDMA, mỗi ngời dùng cũng có một mã trải phổduy nhất đảm bảo mẫu nhảy tần trên băng tần đợc cấp phát cũng mang tínhduy nhất, sao cho không có hai ngời sử dụng có cùng tần số ở một thời gian.Khi mẫu nhảy đợc phân bố hợp lý cho các ngời sử dụng phổ tần đợc chiếmhầu hết các thời gian và đạt đợc hiệu qủa sử dụng băng tần cấp phát

2.4.3- So sánh hệ thống CDMA với FDMA và TDMA

Dung lợng:

Ta sẽ so sánh dung lợng của các hệ thống FDMA, TDMA và CDMAbằng việc xây dựng các biểu thức tính toán dung lợngtrên một số giả thiếtsau: các hệ thống sử dụng cùng băng tần W, hai hệ thống FDMA và TDMA

có cùng số kênh vô tuyến là b, tín hiệu điều chế m, đối với các hệ thống là

nh nhau Đồng thời để đơn giản ta sẽ sử dụng công thức gần đúng

Nh vậy:

req b

FDMA

CDMA

N E

N

N

) / (

1

0

=

req b

TDMA

CDMA

N E

N

N

) / (

3

0

=

Kết luận: với trờng mạng chỉ có 1 ô, dung lợng hệ thống TDMA là lớn

nhất, sau đó đến FDMA và hệ thống CDMA có dung lợng nhỏ nhất

+Tr ờng hợp 2:

Trong trờng hợp mạng có nhiều ô cần phải tính đến hệ số tái sự dụng tần sốK

b

FDMA FDMA

CDMA

K N

E

K N

N

) /

CDMA req

b

TDMA TDMA

CDMA

K N

E

K N

N

) /

có sự tích cực thoại, nên sẽ không khai thác đợc tham số này

Đồng thời, nếu mỗi ô dợc chia làm 3 đoạn ô( sector), dung lợng hệ thống sẽtăng lên 3 lần Hệ thống FDMA và TDMA chỉ làm giảm nhiễu nhờ biệnpháp này mà không làm tăng dung lợng.

Nh vậy, dung lợng hệ thống CDMA là:

NCDMA= (W/b).m . 1 3 2 , 5

) / (

5 , 2 3

0

≈

≈

req b

FDMA

CDMA

N E N

N

Kết luận: Với trờng hợp mạng có nhiều ô, mỗi ô đợc chia thành 3 đoạn ô,

có tính đến yếu tố tích cực thoại thì dung lợng hệ thống là lớn nhất(gấp 10lần hệ thống FDMA và gấp gần 2 làn hệ thống TDMA)

ảnh hởng của fadinh nhiều tia:

Trong môi trờng vô tuyến,tín hiệu truyền tới đích ngoài đờng trực tiếpcòn có thể theo con đờng phản xạ qua các vật thể trung gian trên đờngtruyền

Với hệ thống FDMA, tín hiệu phản xạ trễ có thể ngợc chiều với tínhiệu trực tiếp tại thời điểm này và có thể cùng chiều tại thời điểm khác Điềunày, làm cho cờng độ tín hiệu thu đựoc không ổn định.Với hệ thống TDMA,tín hiệu phản xạ đến trễ có thể làm giãn xung phía thu và gây can nhiễu đễncác khe thời gian lân cận

Còn với hệ thống CDMA, các thuộc tính hệ thống có thể làm giảm ảnhhởng của pha đinh nhiều tia Khi tín hiệu trễ đến muộn hơn so với tín hiệutrực tiếp một khoảng lớn hơn thời gian 1 chip, do tính tơng quan của các mãtrải phổ, khi giải trải phổ có thể loại bổ đợc tín hiệu trễ Tuy nhiên, khi sửdụng kỹ thuật thu RaKE, hệ thống CDMA có thể lợi dụng các tín hiệu nhiều

đờng (phản xạ) này, cộng các tín hiệu nhiều đờng yếu để thu đợc tín hiệumạnh hơn

Nhiễu băng hẹp:

Với các hệ thống FDMA và TDMA sử dụng băng tần hẹp có ảnh hởngkhá lớn và có thể làm sai lệch tín hiệu thông tin tại thời diễm xuất hiệnnhiễu Với hệ thống CDMA, tín hiệu trải phổ ít nhậy cảm với nhiễu bănghẹp, Phía thu nhiễu băng hẹp cũng bị trải phổ, làm cho mật độ phổ công suấtcủa nó bị trải ra trên một khoảng rộng, do vậy nó xuất hiện nh một nhiễunên với tín hiệu thông tin

số liệu.Điều này đồng nghĩa với việc giảm chất lợng cuộc thoại

Tính bảo mật

Đây là hệ thuộc tính của hệ thống CDMA Mã trải phổ có tính chất giảngẫu nhiên, tức chỉ hiểu đợc với bên phát và bên thu mong muốn, và xuấthiện nh 1 tín hiệu ngẫu nhiện với các bên thu khong mong muốn

Chuyển giao mềm

Với hệ thống FDMA và TDMA, thực hiện nguyên tắc”xoá trớc khi nối”tức giải phóng kênh cũ trớc khi chuyển sang kênh mới Điều này có thểkhiến cuộc gọi bị gián đoạn, thậm chí có thể rớt cuộc gọi nếu kênh mớichuyển giao có chất lợng xấu Hệ thốngCDMA có thể thực hiện chuyển giaomềm theo nguyên tắc “nối trớc khi xoá”, giữa các ô sử dụng cùng 1 kênh tần

số Lúc này, Máy di động có thể cùng truyền thông với hai hay nhiều trạmgốc cho đến khi hoàn thành chuyển giao, đảm bảo chuyển giao thành côngkhông bị gián đoạn cuộc thoại

Vấn đề gần xa

Vấn đề gần xa là một nhợc điểm của hẹ thống CDMA so với hệ thốngFDMA và TDMA Vấn đề gần xa đợc trình bày nh sau: Khi hai ngời sử dụng

có khoảng cách khác nhau tới trạm gốc BS đang truyền thông thì công suấtcủa hai ngời này tại trạm gốc sẽ khác nhau do có suy giảm đờng truyền.Chẳng hạn nếu công suất của một ngời sử dụng nào đó tại trạm gố lớn hơn

10 lần công suất phát của các ngời sử dụng khác thì nhiễu giao thoa do ngời

sử dụng này gây ra tơng đơng với nhiễu của 10 ngời sử dụng khác Nh vậy,dụng lợng của hệ thống đã giảm đi một lợng bằng 9

Do đó, vấn đề điều khiển công suất đợc đặt ra ở hệ thống CDMA để

đảm bảo công suất thu đợc ở trạm gốc là bằng nhau với các ngời sử dụng cókhoảng cách khác nhau

824ữ849Mhz

Mỗi một kênh vô tuyến CDMA có độ rộng băng tần là 1.25 Mhz và đợcxác định trên cơ sở của tần số vô tuyến và chuỗi mã Wash đ ợc sử dụng đểnhận dạng cho kênh đờng đi, trong khi các mã dài với độ lệch thời gian khácnhau đợc sử dụng để nhận dạng kênh đờng về

3.2 Kênh logic

Khác với hệ thống kỹ thuật ghép kênh FDMA(hay TDMA) ở đó mỗikênh vật lý đợc chia thành nhiều kênh logic chiếm các khoảng thời giankhác nhau.Thì đối với hệ thống thông tin di động CDMA một kênh logic sẽchiếm trọn vẹn băng tần cũng nh thời gian của kênh vật lý Các kênh logic

sẽ mang một thông tin nào đó, phân chia thành các đờng đi(từ trạm gốc BS

đến trạm di động MS) và đờng về(từ MSđếnBS)còn gọi là các kênh đờng lên Kênh hớng đi gồm 1 kênh hoa tiêu ,1 kênh đồng bộ, có thể có 55 kênh

lu lợng và 7 kênh nhắn tin(hình vẽ 3.1) Các kênh hoa tiêu và kênh đồng bộphục vụ sự khởi tạo của MS ở trạng thái chờ, MS cần đến kênh nhắn tinphục vụ việc truy cập vào mạng để thiết lập cuộc gọi.Trạm gốc dùng sự lệchthời của kênh hoa tiêu để làm căn cứ cho MS nhận dạng kênh h ớng đi (có

512 lệch thời gian khác nhau) Mỗi một trạm gốc có một giá trị lệch thờikhác nhau Lệch thời gian đợc sử dụng trong quá trình chuyển giao

Mỗi khi MS bật nguồn, kênh đồng bộ cung cấp cho MS các tin tức địnhthời và tin tức về cấu hình hệ thống, Kênh đồng bộ cũng dùng một mã trảiphổ PN với cùng lệch thời gian nh kênh hoa tiêu Trên kênh đồng bộ có tintức về tốc độ kênh nhắn tin và lệch thời của chuỗi PN hoa tiêu.Trạm gốcdùng kênh nhắn tin để gửi tin tức mào đầu và thông tin nhận dạng thêu bao.Khi MS đã có thông tin từ kênh đồng bộ, nó sẽ điều chỉnh định thời của nó

và bắt đầu theo dõi kênh nhắn tin(9,6 hay4,8) Kênh nhắn tin có 4 bản tinquan trọng sau:

- Bản tin thông số hệ thống cung cấp thông tin cho việc giám sát kênhhoa tiêu và điều khiển công suất

- Bản tin thông số thâm nhập: chứa thông tin về kênh thâm nhập

- Bản tin danh sách ô kề cận: chứa thông tin về ô kề cận

-Bản tin danh sách CDMA: liệt kê phân định tần số cho các KNT Chức năng nổi bật của kênh nhắn tin là tìm gọi MS khi có cuộc gọi

đến, cũng nh cung cấp các thông tin cần thiết để MS thâm nhập vào hệ thốngKênh lu lợng hớng đi dùng để truyền lu lợng của thuê bao hay báo hiệuphục vụ cho cuộc gọi Kênh lu lợng phát đi dợc chia thành các nhóm điềukhiển công suất Kênh lu lợng có các tốc độ truyền dẫn 9600, 4800, 2400hay 1200b/s Khung kênh lu lợng đờng đi dài 20ms

Trong sơ đồ cấu trúc kênh CDMA hớng đi, có 64 kênh dùng chung đồngthời dải tần 1,23Mhz, các kênh đó phân biệt với nhau bởi mã nhận dạng

Walsh Có 64 mã Walsh trực giao nhau để cung cấp sự nhận dạng duy nhấtcho mỗi kênh hớng đi và để thực hiện điều chế các tín hiệu cho các kênh h-ớng về

Trạm gốc liên tục theo dõi kênh tham nhập hớng về để sẵn sàng đón bảntin yêu cầu thâm nhập của BS Kênh hớng về bao gồm kênh thâm nhập vàkênh lu lợng Khi cha đợc cấp phát kênh lu lợng thì MS dùng kênh thâmnhập để liên lạc với trạm gốc Kênh thâm nhập có tốc độ 4800Kb/s Kênh l ulợng về cũng đợc điều khiển động để tốc độ bit thay đổi theo sự tích cựcthoại 9600, 4800, 2400, 1200b/s

Sắp xếp các kênh logic trên các kênh vật lý cho đờng đi và đờng về nhhình vẽ sau

KHT: Kênh hoa tiêu

KLL: Kênh lu lợng

KĐB: Kênh đồng bộ

KNT: Kênh nhắn tin Wi: Hàm Walsh thứ i

Các kênh logic đường đi 1,23 Mhz

sẽ đợc truyền trên kênh lu lợng về.

+ Kênh thâm nhập(KTN).

Kênh thâm nhập đảm bảo thông tin từ trạm di động đến trạm gốc khitrạm di động không sử dụng kênh lu lợng về Các bản tin trong kênh thâmnhập cung cấp các thông tin về: Khởi xớng cuộc gọi, trả lời nhắn tin, các chỉthị và đăng ký Kênh thâm nhập hoạt dộng ở tốc độ cố định 4800bit/s trongcác khung có độ lâu 20ms Mỗi khung KTN chỉ bắt đầu với bội số nguyên20ms của thời gian hệ thống Mỗi khung chứa 88 bit thông tin và 8 bit đuôi