Quy hoạch mạng thông tin di động thế hệ 3 CDMA 2000

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai trạng thái BSC Base station Controller Đài điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CC Connection Center Trung

Bộ giáo dục và đạo tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Bộ giáo dục và đạo tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Mục lục

Trang Mục lục

Các chữ viết tắt

Lời nói đầu 1

Chương I Tổng quan về các hệ thống thông tin di động thế hệ ba 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động 3

1.1.2 Các đặc tính cơ bản của hệ thống thông tin di động 8

1.1.3 Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 9

1.1.4 Tổng kết quá trình tiến hóa của hệ thống 12

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động 14

Chương II Kỹ thuật trải phổ 19

2.1 Các hệ thống thông tin trải phổ 19

2.2 Ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ 22

2.2.1.Triệt nhiễu 22

2.2.2 Giảm mật độ năng lượng 24

2.2.3 Phân giải theo thời gian đến 25

2.2.4 Truy nhập đa đường 26

2.2.5 Dung lượng của một hệ thống đa truy nhập theo mã 26

2.3 Kỹ thuật trải phổ 27

2.3.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS – SS 28

2.3.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS 38

Chương III Các công nghệ CDMA (W-CDMA) 49

3.1 Các kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin di động 49

3.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 49

3.1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 50

3.1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 52

3.2 W-CDMA 54

3.2.1 Sơ đồ khối chung 54

3.2.2 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA 55

3.3 ứng dụng công nghệ ATM trong thông tin di động 58

3.4 Đánh giá hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật CDMA 60

Chương IV Phương pháp Quy hoạch mạng thông tin di động thế hệ 3 CDMA 2000 62

4.1 Mở đầu 62

4.2 Dự báo lưu lượng 63

4.2.1 Dự báo số thuê bao 64

4.2.2 Dự báo sử dụng lưu lượng tiếng 64

4.2.3 Dự báo sử dụng lưu lượng số liệu 65

4.3 Thiết kế vô tuyến cho mạng tổ ong/PCS 65

4.4 Quy hoạch mạng vô tuyến 65

4.5 Thiết kế đường truyền vô tuyến 66

4.6 Ước tính thông số ô 67

4.7 Quy hoạch phủ sóng 69

4.8 Suy hao đường truyền 71

4.8.1 Mở đầu 71

4.8.2 Mô hình IMT 2000 83

4.9 Phân tích dung lượng ô và tính toán quỹ đường truyền vô tuyến 85

4.9.1 Các mã hàm Walsh 86

4.9.2 Các tốc độ số liệu gói 87

4.9.3 Quỹ đường truyền 90

4.10 Tối ưu mạng 98

Kết luận 100

Tóm tắt của luậu văn 102

Tài liệu tham khảo 103

Các chữ viết tắt

3GPP 3 P

rd

P Generation partnership project Đề án của các đối tác thế hệ thứ 3 AAA Authentication, Authorization

and Account Nhận thức, trao quyền và thành toán AMPS American Mobile Phone

System Hệ thống thông tin di động tiên tiến ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyến dẫn dị bộ

AUC Authetication Center Chung tâm nhận thực

BER Brosdcast Channel Tỷ lệ lỗi bit

BMC Broadcast Multicast Control Điều khiển quảng bá đa phương BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai trạng thái

BSC Base station Controller Đài điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CC Connection Center Trung tâm gói

CDMA Code Divíion Multiple Access Đa thâm nhập phân chia theo mã

DC Dedicated Control Điều khiển riêng

DECT Digital Enhanced Cordless

Telecommunication Hệ thống viễn thông không dây số tăng cường

DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp

DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng

EIRP Effective Isotropically

Radiated Powwer Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng (tương đương) ETSI European

Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

FM Fault Management Quản lý lỗi

FM Frequency Modulation Sóng mang được biến điệu tần số

GC General Control Điều khiển chung

GOS Grade of Service Chất lượng, lưu chuyển giao thông GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HLR Home location Rigister Thanh ghi định vi thường trú

IMT2000 International Mobile

Telecommunicasions-2000 Viễn thông di động quốc tế 2000 ISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng chuyển mạch đa dịch vụ liên kết

IS-54 Interim Standard - 94 Tiêu chuẩn thông tin di động

CDMA của Mỹ (do AT & T đề xuất)

IS-95A Interim Standard - 95A Tiêu chuẩn thông tin di động

CDMA của Mỹ (do Qualcomm đề xuất)

IS- 316 Interim Standard- 136 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA cải tiến của Mỹ(do AT &

T đề xuất) IUT International

Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế IWF Inter Working Function Khối tương tác

LAC Link Access Control Điều khiển truy nhập đoạn nối LOS Line of Sight Đường truyền tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi trường

MF Matched Filter Hệ thống tập lọc phù hợp

MSC Mobile Services Switching

MTP Message Transfer Part Phần truyền bản tin

NMT Nordic Mobile Telephony Nhóm điện thoại di động Bắc Âu

OS Operation System Hệ thống phép toán

PDN Packet Data Node Mạng số liệu gói

PLMN Public land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất QPSK Quadrate Phase Shift Keyint Khoá chuyển pha vuông góc

RAN Radio Access Network Mạng thâm nhập vô tuyến

RLC Radio link Control Điều khiển đoạn nối

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến SCCP Signalling Connection

Control Part

Phần điều khiển kết nối báo hiệu

SMG Special Mobile Group Nhóm di động đặc biệt

SMR Specialized Mobile Radio Specialized Mobile Radio

SNR Signal to Noise Radio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TACS Total Access

communications System Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

UE User Equipement Thiết bị của người sử dụng

UMTS Universel Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UTRAN Universal Terrestrial Radion

Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu VLR Visitor Location Risgiter Thanh ghi định vị tạm trú

W - CDMA Wideband Code Divíion

Multiple Access Đa truy nhập vô tuyến phia chia theo mã bằng rộng

- 1 -

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng các dịch vụ viễn thông ở mọi nước đang tăng nhanh Trong đó, sự phát triển mạng thông tin di động GSM lên GPRS và EDGE trong thời điểm hiện nay là đang sử dụng một hệ thống mạng thông tin di động thế hệ thứ 3: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) sử dụng kỹ thuật W-CDMA Ưu điểm của mạng W-CDMA là ngoài việc khắc phục được những tồn tại của GSM ở dịch vụ đơn nhất tốc độ thấp và chưa chuẩn hoá toàn cầu mà còn nâng cao hiệu suất kênh và phổ tần, cải thiện dung lượng và phủ sóng đặc biệt nâng cao khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao

Tuy nhiên hiện nay các chuẩn cho mạng W-CDMA vẫn trong giai đoạn hoàn thiện Việc triển khai và duy trì sự hoạt động tốt của mạng W-CDMA là một yêu cầu rất cần thiết cần được sự quan tâm nghiên cứu trước khi thực hiện Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Phạm Văn Bình, tác giã đề tài

“Nghiên cứu mạng W-CDMA và Quy hoạch mạng thông tin di động thế hệ 3 CDMA 2000 ” muốn cung cấp cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng và các vấn đề quan trọng như quy hoạch mạng thông tin di động thế hệ 3 CDMA 2000 và khai thác trong việc tối ưu phần mạng vô tuyến nhằm tăng hiệu quả đầu tư và nâng cao chất lượng mạng

Những đặc tính chủ yếu của hệ thống di động sử dụng W-CDMA là:

 Cải thiện những hệ thống di động thế hệ hai: Dung lượng vùng phủ sang

 Tính linh hoạt cao của dịch vụ

 Thực hiện truỳ nhập gói hiệu quả và tin cậy

- 2 -

 Tính linh hoạt cao của vận hành: hỗ trợ hoạt động không đồng bộ giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường Sử dụng

kỹ thuật tiến bộ chẳng hạn như sử dụng kỹ thuật anten thông minh

Nội dung chủ yếu của luận văn bao gồm:

 Tổng quan về các hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Do thời gian nghiên cứu cũng như khả năng bản thân luận văn không thể tránh khỏi một số sai sót, em kính mong thầy giáo hướng đẫn, các thầy trong hội đồng bảo vệ luận văn cao học ngành Địên tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội góp ý để em có thể hoàn thiện tốt hơn chương trình nghiên cứu, để có thể một phần ứng dụng thực tiễn vào công tác sau này

- 3 -

Chương I Tổng quan về các hệ thống thông tin di động thế hệ ba

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Vô tuyến di động đã được sử dụng gần 78 năm Mặc dù các khái niệm

tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã được biết đến hơn 50 trước đây, dịch vụ điện thoại di động mãi đến

đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ

là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận Các hệ thống điện thoại di

động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần sóng công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980 Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này (1) Phân bố tần

số rất hạn chế, dung lượng thấp (2) Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường pha đinh đa tia (3) Không đáp ứng

được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng (4) Không cho phép giảm

đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng (5) Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi (6) Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di

động của mình ở nước khác

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa thâm nhập mới

- 4 -

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần

900 MHz Năm 1985 hệ thống số được quyết định Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn Nói chung sự phát triển của thông tin

di động được phát triển do nhu cầu của khách hàng, cùng với sự phát triển của xã hội Giai đoạn đầu là sự cạnh tranh giữa Mỹ và Châu Âu Giai đoạn tiếp theo ở Nhật Bản cũng phát triển hệ thống của riêng mình và có thể cạnh tranh với Mỹ và Châu Âu Có thể chia làm thành các giai đoạn của sự phát triển hệ thống thông tin di động như sau:

- Giai đoạn 1: Thông tin di động tương tự (Analogue Cellular) Năm 1980

- Giai đoạn 2: Thông tin di động Cellular số (Digital Cellular Mobile

Phone) Năm 1994

- Giai đoạn 3: Thông tin di động thế hệ 3 (3P

rd

P Generation Mobile Phone) Năm 2001

Bảng 1.1 Sự phát triển của thông tin di động

Năm Hệ thống thông tin di động mặt đất

1980 Nhóm điện thoại di động Bắc Âu NMT450/900(Sacandinavia)

Dịch vụ điện thoại cấp cao AMPS (USA)

1990 GSM Global System For Mobile Communication(Europe)

DCS 1800 Digital Cellular System at 1800Mhz (Europe)

D-AMPS/IS54(USA) PDC Personal Cellular System (Japan)

1994 DECT Digital European Cordless Telecommunication

PHS Personal Handyphone system

Thông tin di động giai đoạn 1 là hệ thống tương tự Analogue Cellular, hệ thống này sẽ truyền tín hiệu thoại theo sóng mang Radio trực tiếp đến thuê bao, mỗi một người phát với một tần số nhất định Kính thức thiết bị đầu cuối

to, vấn đề bảo mật kém, nhiễu lớn, còn một khuyết điểm nữa là hạn chế về tần

- 6 -

Do phải bỏ ra vốn đầu tư rất lớn để có thể khai thác mạng GSM đã thu hút

được khá đông đảo này người sử dụng và sự hài lòng về dịch vụ của mạng này Có thể coi mạng GSM là đại diện cho thông tin di động thế hệ 2 Bên cạnh với sự phát triển của mạng GSM ở Châu Âu ở Mỹ và ở Nhật Bản cũng

được phát triển sang hệ thống thông tin di động số của riêng mình là: AMPS và PDC

D-Có thể kết luận các tiêu chuẩn sử dụng ở Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản như sau:

Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn sử dụng ở Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản

Power Output [W] 2-5-8-20 0.6-1.2-3-6 0.3-0.8-2

Mặc dù hệ thống GSM đã được triển khai khá lớn trên thế giới nhưng vẫn bị hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu (Data), chỉ có thể đạt được 9.6 kbps ESTI đã cho ra đời hệ thống mới gọi là DECT để có thể đáp ứng được tốc độ truyền dữ liệu Đầu năm 1991 ở Nhật thì cũng phát triển hệ thống PHS để đáp ứng nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu giống như DECT Vào giữa năm 1995 công ty NTT của Nhật Bản đã bắt đầu triển khai hệ thống PHS Hệ thống PHS

được triển khai với vốn đầu tư không cao lắm do đó cước thuê bao sử dụng

- 7 - cũng khá rẻ tiền Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống PHS có thể đạt tới 64 kbps Hệ thống PHS được triển khai rất thành công ở Nhật Bản

ra tiêu chuẩn mới gọi là IMT-2000 để tập hợp và để các hệ thống thông tin di

động hiện nay có thể hoạt động cùng nhau được Sau đó các nước Châu Âu và Nhật đã phát triển hệ thống W-CDMA Còn ở Mỹ do Qualcomm cũng đã phát triển hệ thống CDMA gọi là CDMA 2000 Do đó cả 2 hệ thống W-CDMA và CDMA 2000 là đại diện cho thông tin di động thế hệ thứ 3 theo tiêu chuẩn ITM 2000

Năm 2002 Hệ thống W-CDMA đã bắt đầu triển khai ở Nhật Bản tuy nhiên hệ thống thông tin di động 3G đã và đang được triển khai khá nhiều guốc gia trên thế giới Một số quốc gia thì rất thành công còn một số quốc gia

- 8 - thì không thành công lắm Bên cạnh đó mạng GSM đang còn được sử dụng khá nhiều quốc gia và chiếm thị phần lớn số thuê bao di động trên thế giới

Trong tương lai thì nhóm nghiên cứu sẽ còn tiếp tục phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 để hoàn thiện hơn hệ thống trước đó Dự kiến hệ thống thông tin di động 4G sẽ được bắt đầu triển khai vào những năm gần đây Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng viễn thông

về các dịch vụ viễn thông, các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba Hiện nay, có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA và CDMA 2000 W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và CDMA 2000 được phát triển lên từ IS-95 thế hệ 2 ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

Các mạng thông tin di động phải đảm bảo các đặc tính sau:

1 Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt được dung lượng cao do hạn chế của dải tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động

2 Đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu

3 Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất

4 Giảm tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác

5 Cho phép phát triển các dịch vụ mới nhất là các dịch vụ phi thoại

6 Để mang tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế (International Roaming)

- 9 -

7 Các thiết bị cầm tay gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng

1.1.3 Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

 Tích hợp các mạng thông tin vô tuyến và hữu tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau:

 Môi trường ảo

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành 4 vùng:

 Vùng 1: Trong nhà, ô picô, RR b R≤2Mbps

 Vùng 2: thành phố,ô micro, Rb≤384kbps

 Vùng 3: ngoại ô, ô macro, Rb≤144 kbps

- 10 -

 Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 9,6 kbps

Bảng 1.5 Phân loại các dịch vụ ở IMT-2000

Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết

Dịch vụ di

động

Dịch vụ di động Di động dịch vụ/di động cá nhân/ di động

đầu cuối Dịch vụ thông

-Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbps)

-Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbps) -Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbps)

-Dịch vụ video (384 kbps) -Dịch vụ hình chuyển động (384 kbps-2Mbps) -Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (≥ 2 Mbps)

Vocoder CS-ACELP/(ARM) EVRC,QCELP (13 kbps)

Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB 3GPP2/TIA/TTA/ARIB

Hình 1.1 Mô hình mạng IMT-2000

Kí hiệu: TE = thiết bị đầu cuối

UI = Giao diện người sử dụng

thông tin thâm nhập hệ thống +Phát và thu vô

tuyến + Điều khiển nhập vô tuyến

Vùng mạng lõi

Mạng lõi +Điều khiển cuộc gọi + Điều khiển chuyển mạch dịch vụ + Điều khiển tài nguyên quy định + Quản lý dịch vụ + Quản lý vị trí + Quản lý nhận thức

Vùng các dịch vụ

ứng dụng

Các dịch vụ ứng dụng

- 12 - Các dạng máy đầu cuối bao gồm:

 Thoại có hình chất lượng cao

 Đầu cuối giống như máy TV

 Đầu cuối kết hợp TV và máy tính

 TV cầm tay có khả năng thu được MPEG

 Đầu cuối số liệu gói

 PC vở ghi có cửa thông tin cho phép:

• Điện thoại thấy hình

• Văn bản, hình ảnh, thâm nhập cơ sở dữ liệu video

 Đầu cuối PDA

• PDA tốc độ thấp

• PDA tốc độ cao hoặc trung bình

• PDA kết hợp với sách điện tử bỏ túi

 Máy nhắn tin hai chiều

 Sách điện tử bỏ túi có khả năng thông tin

1.1.4 Tổng kết quá trình tiến hóa của hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Ta xét tổng kết các nền tảng công nghệ chính của hệ thống thông tin di

động từ thế hệ một đến thế hệ ba và quá trình tiến hóa của các nền tảng này

đến nền tảng của thế hệ ba Để tiến tới thế hệ ba có thể thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai đoạn này được gọi là thế hệ 2.5

GSM, IS-136, Chủ yếu cho dịch TDMA hoặc

Thế hệ 2 (2G) IS-95 vụ tiếng và bản tin CDMA, số, băng

ngắn hẹp (8-13 kbps)

Trung gian GPRS, Trước hết là dịch TDMA, CDMA, sử

(2.5G) EDGE, vụ tiếng có đưa dụng chồng lên phổ

CDMA thêm các dịch vụ tần của thế hệ hai

2000-1x gói nếu không sử dụng

phổ tần mới, tăng

cường truyền số liệu

cho thế hệ hai

CDMA2000, Các dịch vụ tiếng CDMA, CDMA kết

WCDMA và số liệu gói được hợp với TDMA, thiết kế để truyền băng rộng, sử dụng

Thế hệ ba(3G) tiếng và số liệu đa chồng lấn lên hệ

phương tiện Là thống hai hiện có

nền tảng thực sự nếu không sử dụng

của thế hệ ba phổ tần mới

- 14 -

Hình 1.2 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1

đến thế hệ 3

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động

1.2.1 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động

GPRS IS-136

1 G

GSM(1800)

GSM(1900)

IS-136 TDMA (800)

● Thiết bị đầu cuối ,TE (Terminal Equipment) thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động: Fax, máy tính

* Kết nối trạm di động, MT (Mobility Terminal) thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến

* Bộ thích ứng đầu cuối, TAF (Terminal Adapter Function) làm việc như một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết nối di động

LMN

Các mạng ngoài VLR

HLR

Quản lý di động

AUC EIR

D

H MSC

- 16 -

* Trạm thu phát gốc (BTS)

Một BTS (Base station Transceiver Station) bao gồm các thiết bị phát thu, anten và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến Có thể coi BTS là các MODEM vô tuyến phức tạp có một số các chức năng khác Một bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (Transcoder/ Adapter Rate Unit: Khối chuyển đổi mã

và tốc độ) TRAU là thiết bị mà ở đó quá trình mã hoá và giải mã hoá tiếng

đặc thù riêng cho hệ thống di động được tiến hành, ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu

* Bộ điều khiển trạm gốc (BSC)

BSC (Base station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC được nối với BTS còn phía kia nối với MSC Trong thực tế BSC là một tổng đài nhỏ có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao

* Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC)

Nhiệm vụ chính của MSC điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người

sử dụng mạng thông tin di động Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác

nó giao diện với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC: Gate MSC) Việc giao diện với mạng ngoài để đảm bảo thông tin cho các người sử dụng các khả năng truyền tải của mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử mạng

- 17 -

* Bộ ghi định vị tạm trú (VLR)

VLR (Visitor Location Risgiter) là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng thông tin di động Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Các chức năng VLR thường được liên kết với các chức năng MSC

vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao

ở thời điểm hiện thời Để vậy trước hết các tổng đài cổng phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng

đài cổng có một giao tiếp với các mạng bên ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng thông tin di

động Ngoài ra tổng đài này cũng có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của mạng thông tin di động

* Khai thác và bảo dưỡng mạng (OS)

Hệ thống khai thác 0S (Operation System) thực hiện khai thác và bảo dưỡng tập trung cho mạng thông tin di động

● Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng

● Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị và sửa chữa các sự cố và hỏng hóc Nó có một số quan hệ với khai thác

- 18 -

* Quản lý thuê bao và Trung tâm nhận thức (AUC)

Quản lý thuê bao gồm các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao AUC (Authetication Center) quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan

đến từng cá nhân thuê bao dựa trên khoá bí mật này AUC có thể được đặt trong HLR

* Quản lý thiết bị di động (EIR)

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị EIR (Equipmet Identity Rigister) EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối đến MSC qua đường báo hiệu để kiểm tra sự

do đó phục vụ được số lượng thuê bao đa truỳ nhập lớn hơn nhiều Các mạng thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật trải phổ cũng cố được những tính chất quan trọng như tái sử dụng tần số, điều khiển công suất nhanh chóng và chính xác, đảm bảo truyền dẫn chất lượng cao, giảm pha dinh đường truyền và cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc

2.1 Các hệ thống thông tin trải phổ

Chất lượng của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) (hệ thống thông tin tương tự) và xác suất lỗi (PE) (hệ thống thông tin kỹ thuật số)

Lý thuyết thông tin đã chỉ ra rằng để nâng cao tỷ số S/N với một mức tạm

âm cho trước có thể thực hiện theo 3 cách sau:

- Tăng công suất của nguồn tín hiệu Nhược điểm của biện pháp này là giá thành chế tạo cao, ràng buộc bởi các quy định quốc tế và mật độ phổ để trải

- 20 - tín hiệu không mong muốn khác, gọi chung là nhiễu Để tách tín hiệu mang thông tin cần nhận ra khỏi nhiễu, ta sử dụng bản sao của mã trải phổ để giải

điều chế tín hiệu thu được Đối với tín hiệu mang thông tin được trải phổ ở

đầu phát thì quá trình giải điều chế chính là nén phổ để tạo lại dạng tín hiệu ban đầu, còn đối với các tín hiệu không mong muốn khác nhiễu thì đó là qúa trình trải phổ Do sau khi giải điều chế thì mật độ phổ tín hiệu cần thu sẽ tăng cao hơn nẳn mật độ phổ của nhiễu

(a) Hệ thống chuẩn phát

(b) Hệ thống chuẩn lưu giữ (SR)

(c) Hệ thống tập lọc phủ hợp Hình 2.1 Cấu hình các hệ thống thông tin trải phổ

Một hệ thống được định nghĩa là hệ thống trải phổ nếu nó thoả mãn các yêu cầu sau:

- Tín hiệu trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn nhiều so với bề rộng phổ cần thiết

để truyền thông tin đi

Giải điều chế c(t)

ď(t) Người sử dụng

X(t)

V V

thu Giải điều chế

ď(t) Người sử dụng Tạo mã

PN

Phát Lọc

[c(t)]

Tập lọc [C’(t)]

- 21 -

- Phía phát: Phổ được trải rộng nhờ mã trải phổ độc lập với dữ liệu và có tốc

độ cao hơn nhiều tốc độ vào

- Phía thu: Phổ được nén trở về đúng bề rộng phổ cần thiết nhờ chính bản sao của mã trải phổ phía phát

Có 3 loại cấu hình hệ thống mà có thể sử dụng để đảm bảo cho máy thu và máy phát hoạt động đồng bộ với cùng một tập các tín hiệu ngẫu nhiên Sơ đồ cấu hình các hệ thống trải phổ được đưa ra ở hình 2.1

UHệ thống trải phổ chuẩn phát (TR- Transmitted Reference):U Trong hệ thống này máy phát có thể truyền đi hai biến thái của sóng mang băng rộng: một sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu và một không bị điều chế Máy thu sẽ

sử dụng sóng mang không bị điều chế như một tín hiệu chuẩn để nén sóng mang bị điều chế bởi tín hiệu do đó đã giải quyết được vấn đề đồng bộ tại máy thu Tuy nhiên, hệ thống này lại có các nhược điểm dễ bị nghe trộn (mã trải phổ được phát công khai), dễ bị gây nhiễu khi đối phương phát đi một cặp tín hiệu có thể chấp nhận được phù hợp với tin phia thu, hiệu qủa bị giảm khi bị mức tín hiệu nhỏ do tạp âm tồn tại trên cả hai tín hiệu, độ rộng băng và công suất tăng hai lần vì phải phát hai tín hiệu băng rộng đồng thời

UHệ thống trải phổ chuẩn lưu giữ (SR- Stored Reference):U ở hệ thống này tín hiệu trải phổ được tạo ra một cách độc lập tại cả máy thu và máy phát Tín hiệu mã trải phổ ở đây được thiết kế tốt, không thể xác định được bằng cách giảm sét qúa trình truyền dẫn Tín hiệu mã trải phổ giả tạp âm trong hệ thống

SR không thể thực sự ngẫu nhiên như trong hệ thống TR trước đó vì mã trải phổ giống như cần tạo ra một cách độc lập tại nhiều vị trí, dãy mã trải phổ cần

được xác định được mặc dù sự xuật hiện của nó là ngẫu nhiên đối với các đối tượng trái phép

UHệ thống tập lọc phù hợp (MF- Matched Filter)U: Thực hiện việc phát các tín hiệu đã bị xung hóa bằng bộ lọc có đáp ứng xung dài, băng rộng và bị

- 22 -

điều khiển giả ngẫu nhiên (hình 2.1c) Việc tách sóng tín hiệu tại đầu thu được thực hiện giả ngẫu nhiên, điều khiển đồng bộ, lọc kết hợp với việc thực hiện các phép tương quan

2.2 Ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ

Độ tăng ích xử lý GP được tính bằng tỷ số giữa bề rộng phổ truyền dẫn đã

được trải phổ và bề rộng phổ dữ liệu gốc (WSS/Wd) là số chip PN cho một bit dữ liệu gốc Trong hệ thống CDMA, GP có thể đạt 100 ữ 1000 lần Chính nhờ

đặc điểm này mà hệ thống trải phổ có khả năng triệt nhiễu tốt, giảm được mật

độ năng lượng, có độ phân giải lớn, khả năng đa truy nhập

2.2.1.Triệt nhiễu:

a Tín hiệu trải phổ và hai dạng nhiễu của hệ thống trải phổ; b tín hiệu sau trải phổ và dạng nhiễu bị trải phổ; J: Công suất nhiễu; J 0 : Một độ công suất nhiễu băng W SS P là tỷ số giữa bề rộng phổ của nhiễu và bề rộng băng trải phổ p =W j /W SS (0 < p < 1),

Hình 2.2 Sự triệt nhiễu của kỹ thuật trải phổ

Nhiễu hình là các loại tín hiệu không mong muốn trong thông tin Có nhiều loại nhiễu như nhiễu xung, nhiễu liên tục, nhiễu trắng, nhiễu dải hẹp, nhiễu phân bố chuẩn, phân bố poissons, nhiễu cộng, tạp âm trắng cộng Gaussian có năng lượng phân bố đồng đều trên khắp thang tần số, do vậy năng lượng tổng cộng của nó là không giới hạn

- 23 -

a Tín hiệu chưa trải phổ; b Tín hiệu sau trải phổ ở phía phát; c Tín hiệu sau trải phổ ở phía thu; G(f): Mật độ phổ cộng suất dữ liệu vào; G SS (f): Mật độ phổ công suất dữ liệu trải phổ; W d : băng tần dữ liệu vào.W SS : Băng tần tín hiệu trải phổ; N 0 : Mật độ phổ công suất tạp âm Gaussian

Hình 2.3 Kỹ thuật trải phổ với tạp âm Gaussian

Với các nhiễu dải hẹp lọt vào máy thu cùng tín hiệu trải phổ từ phía phát đến, qua hoạt động giải trải phổ ở máy thu, nhiễu sẽ bị trải rộng bề rộng phổ của nó và giảm mật độ năng lượng phổ đi nhiều lần với hệ số tăng ích GP=

WSS /Wd do nhiễu không đạt được sự tương quan như tín hiệu hữu ích với hệ thống trải phổ của nó khi mã trải phổ và mã giải trải phổ đồng bộ chính xác nhau

Tuy nhiên với tạp âm trắng - cộng Gaussian thì hệ thống trải phổ không cải thiện được đặc tính của tín hiệu truyền dẫn Tạp âm trắng - cộng Gaussian vấn tồn tại như thể hiện trong hình 2.3

Khả năng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ với nhiễu dải hẹp thể hiện ở hình

vẽ sau cho hai loại nhiễu: 1 loại có dải tần bằng độ rộng bằng tần của hệ thống trải phổ và 1 loại nhiễu có dải tần hẹp hơn

Ngoài các loại nhiễu cố ý phá hoại, còn có nhiễu sinh ra do truyền sóng và bản thân hệ thống như nhiễu từ các kênh khác truyền cùng băng tần Nhờ sự

đồng bộ chính xác giữa mã trải phổ dùng ở phía phát và mã trải phổ dùng ở phía thu mà hệ thống trải phổ loại bỏ được các loại nhiễu này

W SS

(b)

G(f)

N 0 f

W d

(c)

độ trực giao) bằng với 2.W.T Một phân lượng phổ là một ô vuông có một chiều là một đơn vị thời gian, một chiều là một đơn vị bề rộng phổ Với tín hiệu trải phổ có W lớn thì số các tạo độ trực giao càng lớn và do vậy nhiễu phá càng khó xác định được tập con tọa độ nào đang được liên kết thông tin Để gây nhiễu có hiệu quả, phía gây nhiễu sẽ phải gây nhiễu tất cả các tọa độ tín hiệu của hệ thống với năng lượng nhiễu được chia đều cho mỗi tạo độ, do đó công suất gây nhiễu bị chia nhỏ Phía gây nhiễu có thể tăng công suất nhiễu tại một số tọa độ tín hiệu tuy nhiên xác suất trùng với tọa độ liên kết thông tin

là rất thấp

2.2.2 Giảm mật độ năng lượng

Trong hệ thống thông tin trải phổ, băng tần truyền dẫn lớn hơn rất nhiều so với băng tần tín hiệu, so vậy mà phổ tín hiệu được trải ra trên khắp băng tần so với các hệ thống khác nên công suất trung bình của tín hiệu được trải đều và giảm nhỏ trên toàn bộ miền trải phổ Điều này vừa làm giảm sự cần nhiễu của tín hiệu tới các máy thu khác vừa chống lại sự phát hiện của đối phương Đây

Tín hiệu trải phổ

W SS≈WC

∇ ∇ ⊗ ⊗

mã trải phổ Gây nhiễu C(t) Mã trải phổ C(t)

tốc độ chip R tốc độ chip R

Công suất nhiễu T

- 25 -

là cơ sở để chế tạo những hệ thống thông tin có xác suất phát hiện thấp (LPD - Low Probability of Detection) hay xác suất bị chắn thấp(LPI - Low Probability of Intercept) Bên cạnh đó, đài phát vẫn có thể tăng được công suất phát mà không làm vi phạm đến quy ước chung ảnh hưởng đến các đài phát lân cận

2.2.3 Phân giải theo thời gian đến

Hình 2.5 Đo lượng chính xác nhờ hệ thống trải phổ

Phân giải theo thời gian đến cho thấy giá trị của các tham số thời gian của tín hiệu trong hệ thống (ví vụ đối với tín hiệu xung thì các tham số này là thời gian trễ truyền xung hay thời gian xác lập sườn xung ∆t), lý thuyết đã chứng minh ∆t ≈ 1/W Như vậy, một xung đi qua hệ thống trải phổ của độ rộng băng tần lớn sẽ bị trễ rất ít, xung thu được có dạng gần xung lý tưởng hơn Ưu điểm này được áp dụng để do lường cự ly: thay vì phát đi một xung thăm dò duy nhất, người ta phát đi một chùm xung Các xung này được điều chế trải phổ trước khi phát Bằng cách lấy tương quan tín hiệu thu được với bản sao mã trải phổ mà dãy xung thăm dò được phục hồi ở phát thu Người ta

sẽ đo độ lệch giữa thời điểm phát và thu được chùm xung để xác định thời gian trễ truyền của chùm xung

Trong hệ thống tin nói chung, tín hiệu thu được tại đầu máy thu gồm tín hiệu truyền thẳng tới từ anten phát, tín hiệu phản xạ theo đường gấp khúc trong môi trường (Multipath), tín hiệu nhiễu trong môi trường, tín hiệu gây nhiễu cố ý: Đối với hệ thống thông tin trải phổ, các tín hiệu nhiễu đa đường

Hệ thống trải phổ

Mã trải phổ Xung đo

Xung thu được để đo lường

- 26 - hay nhiễu cố ý đến trễ hơn so với tín hiệu truyền thẳng đều bị nén với hệ số cao hay khi thời gian trẽ quá lớn (hơn một thời khoảng chip)thì các tín hiệu này đều bị loại bỏ Điều này hết sức quan trọng trong ứng dụng của kỹ thuật

định vị và so vận tốc, nâng cao độ chính xác của phép đo lường

2.2.4 Truy nhập đa đường

Một khả năng hữu ích của hệ thống trải phổ chống nhiễu là làm nền tảng cho khả năng đa truy nhập nghĩa là nhiều phiên liên lạc đồng thời có thể sử dụng cùng một không gian tín hiệu vô tuyến Người ta gọi phương pháp đa truy nhập này là đa truy nhập trải phổ (SSMA) hoặc thông thường hơn là đa truy nhập theo mã (CDMA) Kỹ thuật CDMA cho phép mỗi người truy nhập vào mạng theo một mã trải phổ duy nhất, khi đó mỗi mã trải phổ thể hiện một kênh thông tin độc lập trong mạng Như vậy, mạng thông tin CDMA có thể

được xây dựng với dung lượng rất lớn, đạt hiệu quả sử dụng băng tần cao Song vấn đề đối với mạng CDMA là phải xây dựng được một tập các mã trải phổ đảm bảo trực giao với nhau

2.2.5 Dung lượng của một hệ thống đa truy nhập theo mã

Giả sử có K tín hiệu với công suất Ps đồng thời tồn tại trên cùng 1 băng tần ở đầu vào bộ thu bất kỳ, tỷ số S/N (chưa tính tạp âm nhiệt) đều là:

1

1 ).

1

=

K P K

P y

S

S (2.1) Sau khi nén phổ, mỗi thành phần tín hiệu của từng người sử dụng đều bị nén công suất xuống G lần, do đó tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là:

y (2.2) Nếu tính thêm cả tạp âm nhiệt với công suất α thì:

.(K

P

G P y

S

S (2.3)

và dung lượng hệ thống trở thành:

- 27 -

b S

G P y

G

1 (2.4) Trong đó yb là tỷ số SNR yêu cầu của hệ thống với một tỷ số lỗi bit cho trước Như vậy dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức nhiễu tại đó hệ thống vẫn còn hoạt động bình thường nên nó có tên là “ hệ thống nhiễu giới hạn “ Để giảm được yb ta phải có mã sửa lỗi hiệu quả cao Thực tế G cũng chính là tỷ số băng thông tín hiệu đã trải phổ / băng thông dành cho tín hiệu cần truyền khi chưa trải phổ Tỉ số này tương đối lớn, do đó ta có thể tin tưởng dung lượng của hệ thống trải phổ rất đáng kể

2.3 Kỹ thuật trải phổ

Trải phổ có nghĩa là tăng số phân lượng phổ của tín hiệu Với các tín hiệu

có bề rộng phổ W(Hz), thời gian tồn tại là T thì sẽ có số phân lượng phổ là 2WT Để tăng số phân lượng phổ ta có thể tăng bề rộng phổ tín hiệu hoặc tăng thời gian tồn tại T

Dựa trên 2 biện pháp này người ta đưa ra 3 hệ thống trải phổ cơ bản là: Trải phổ trực tiếp, trải phổ nhảy tần và trải phổ nhảy thời gian

Khi tăng thời gian tức là ta thực hiện trải phổ theo kiểu nhảy thời gian (TH - Time Hopping) Một bản tin có tốc độ dòng số R được phân phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn khoảng thời gian cần thiết được sử dụng

để truyền đi dòng tin này bằng phương pháp điều chế và giải điều chế thông thường Trong khoảng thời gian này, dòng số được chia thành nhiều tập con, các tập con được gửi đi theo từng loạt phù hợp với sự điệu khiển của mã

Khi tăng băng tần W, ta có nhiều cách để thực hiện song chúng ta chỉ quan tâm đến hai kỹ thuật cơ bản là:

- Trải phổ dãy trực tiếp (DS - SS: Direct Sequênc - Spread Spectrum): Qúa trình trải phổ đạt được bằng cách nhận nguồn dữ liệu thông tin vào với nguồn

- 28 - tín hiệu mã giã ngẫu nhiên (một cách trực tiếp) Tín hiệu trải phổ đưa ra có độ

rộng xấp xỉ tốc độ của mã giã ngẫu nhiên

- Trải phổ nhảy tần (FH - SS: Freqency Hopping - Spread Spectrum): Quá

trình trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang (sóng mang đã mang

tín hiệu tin tức) trên một tập lớn các tần số Sự nhảy tần của tần số sóng mang

được quyết định bởi các mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên bắt nguồn từ sự

điều khiển của các từ mã trải phổ PN Do vậy tín hiệu trải phổ nhảy tần đưa ra

cũng chiếm độ rộng phổ lớn gấp nhiều lần độ rộng phổ của tín hiệu vào (chứa

trong sóng mang đã điều chế)

Ngoài ra, còn tồn tại một số loại kỹ thuật trải phổ kết hợp của hai kỹ thuật

trải phổ trực tiếp và nhảy tần như DS - FH, FH - TH

2.3.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS - SS

Trong phương pháp này, mã trải phổ trực tiếp tham gia vào quá trình

điều chế, còn trong các phương pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham

gia quá trình điều chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian

truyền dẫn tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu

Hình 2.6 Phổ của tín hiệu trải phổ trực tiếp

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu

cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao Song nó có nhược

điểm là băng trải phổ chỉ đến vài trăm MHz, năng lượng phổ chỉ chiếm đến

90% trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm hai dải phụ thứ

nhất

S(f) [W/Hz]

Dải chính Dải phụ thứ Dải phụ thứ

1 2

-2.R C - R C 0 R C 2.R C f

- 29 - Công thức tính mật độ phổ công suất:

[W Hz]

R

f f R

f f R

P f S

C

C

C

/ )

(

) (

sin )

(

2

0 0

với P: Công suất phát; Rc tốc độ chip; f0: tần số sóng mang

2.3.1.1 Trải phổ trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK

Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụng phương pháp điều chế BPSK (điều chế pha nhị phân) bằng mã trải phổ c(t) có dạng xung NRZ (là dãy các mã nhận các giá trị ±1) có tốc độ chip cao hơn nhiều lần tốc độ dữ liệu

Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng s(t) =A cos ωo t

(A là biên độ của sóng mang; ω0 là tần số góc của sóng mang) gọi P là công suất sóng mang và Arms là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có:

S(t)

Mã trải phổ

- 30 - Trong đó: θd(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu

Ts là thời gian tồn tại của một kỹ hiệu điệu chế

Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ đươc phát đi có dạng:

S T(t) = 2 P cos[ω0t+ θd(t) + θc(t)] với nT s ≤t≤ (n+ 1 )T s (2.7)

Do vậy pha của tín hiệu sẽ gồm hai thành phần:

+ θc(t) là góc pha của ST(t) phụ thuộc vào mã trải phổ c(t)

+ θd(t) là góc pha của ST(t) phụ thuộc vào dữ liệu

Do mã trải phổ c(t) có dạng c(t) = ± 1 nên ST(t) có thể được viết lại như sau: S T(t) = 2 P.c(t) cos[ω0t+ θd(t)]=c(t).S d(t) (2.8)

Do c(t) = ± 1 nên c2(t) = ± 1 vì vậyS T(t).c(t) =c2(t).S d(t) =S d(t) (2.9) Dưa trên cơ sở phương trình này, người ta thiết kế bộ giải điều chế ở phía thu

R(t) = 2 P.c(t−T d) cos[ω0(t−T d) + θd(t−T d) + ϕ]

Hình 2.8 Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK (phía thu)

Tín hiệu truyền tới máy thu là:

R(t) = 2 P.c(t−T d) cos[ω0(t−T d) + θd(t−T d) + ϕ] (2.10) Trong đó: Td: Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu

Td : Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ

ϕ : là góc pha ngẫu nhiên ϕ=[0 , 2π]

Để đơn giản cho việc tính toán, ta bỏ qua một vài loại nhiễu và tạp âm Gaussian

- Bước 1: Giải trải phổ nhân tín hiệu R(t) với mã trải phổ được tạo ra ở máy thu là c(t-Td)

S d (t) d(t)

Dữ liệu nhị phân

Lọc thông dải Giải điều chế

BPSK C(t-Ť d )

⊗

- 31 -

R(t) = 2 P.c(t−T d).c(t−T d) cos[ω0(t−T d) + θd(t−T d) + ϕ] (2.11) Nếu mã trải phổ máy thu đồng bộ chính xác với máy phát, khi đó

d

T = Td và c(t−T d).c(t−T d) =[c(t−T d)]2 = 1 hay

R(t) = 2 P cos[ω0(t−T d) + θd(t−T d) + ϕ]

- Bước 2: Giải điều chế pha Tín hiệu sau bộ lọc thông giải được đi qua

bộ giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t) ban đầu

Trên đây ta sẽ xét trường hợp điều chế lần 1 là điều chế pha số thông thường, điều chế trải phổ lần 2 là điều chế BPSK, sau đây ta xét trường hợp cả hai lần điều chế trên đều là điều chế BPSK

+ Khi cả hai lần là điều chế BPSK thì dữ liệu điều chế sau hai lần có dạng

( )= 2. . ( ).sin 0 + ( ).2 

π

t c P t

S d (2.13)

Do điều chế là BPSK nên dịch pha của sóng mang là π Dữ liệu d(t) mang giá trị ±1 Trong điều chế BPSK, Ts = Tb (Ts: độ dài một kỹ hiệu điều chế, Tb : độ dài một bit)

S T(t) = 2P.d(t).c(t) cos ω0t với T b ≤t≤ (n+ 1 )T b (2.14)

Từ phương trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS/BPSK phía phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ được thay thế bởi quá trình nhân mã trải phổ c(t) với dãy dữ liệu d(t)

S T(t) = 2 P.d(t).C(t) cos( ω0t)

Hình 2.9 Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK (phía phát)

⊗ Bộ điều chế BPSK

d(t) Dữ liệu nhị phân

s(t) Sóng mang

C(t) Mã trải phổ ±1

- 32 - Sau đây ta xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BPSK: Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha được tính như sau:

b d

2

1 ) exp(

Dễ thấy ST(t) cũng là tín hiệu sóng mang điều chế pha nhị phân, nên mật

độ phổ công suất của nó cũng được tính theo công thức trên, với Tb=Tc

Hình 2.10 Phổ công suất DS/BPSK

S d f PT c{sin [(f f )T c] sin [(f f )T c] }

2

1 ) ( = 2 − 0 + 2 + 0 (2.16)

Ta thấy phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm hai biên đối xứng cùng có biên độ bằng P.Tc/2, bề rộng phổ mỗi bên bằng 2/Tc

Như vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng tăng lên Tb/Tc lần và biên độ phổ giảm đi Tb/Tc lần Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu nên

Tb ≤ Tc vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều

Độ tăng ích của hệ thống:

c b

b c

b

ss p

T

T R

R R

b.Phổ tín hiệu sau khi trải phổ

- 33 -

Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích được xây dựng càng tốt và chất lượng

hệ thống trải phổ càng tốt

2.3.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK

Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký

hiệu điều chế và được mô tả bằng một trạng thái pha sóng mang

Bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK có sơ đồ như sau:

Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK

UNguyên lý hoạt động của bộ điều chếU:

Đầu trên dòng bit dữ liệu d(t) điều chế sóng mang: S(t) = 2 P cos ω0t

Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái:

S(t)

Bộ điều chế pha

⊗ ( )t