Xác định ảnh hưởng của nhiễu từ vệ tinh n SAT HEO tới hệ thống 3g của việt nam trong băng tần 2 6 GHz

Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 2000 WRC-2000 đã thông qua quyết định cho phép một số nước trong khu vực Châu á Thái bình dương Khu vực 3 theo phân chia của ITU được triển khai

Trường đại học bách khoa hà nội

Tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với sự giúp đỡ của các thày cô giáo trong Khoa

“Đào tạo và Bồi dưỡng sau Đại học” Trường Đại học Bách khoa Hà nội, đặc biệt

là các thày, cô giáo tham gia giảng dạy lớp cao học Điện tử- Viễn thông khoá 2003-2005 đã cung cấp kiến thức, tạo tiền đề cho tôi thực hiện luận văn

Tôi cũng xin cảm ơn các đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, hỗ trợ tôi trong quá trình Tôi thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, quan tâm giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Lê Văn Tuấn

Mục lục

Trang

lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Danh mục các hình vẽ 4

Danh mục các Bảng biểu 5

Phần I : Tổng quan 6

Phần I : Tổng quan 6

Chương 1: Nội dung, mục đích của đề tài 6

1.1 Tình hình sử dụng băng tần 2500-2690MHz trên thế giới và ở Việt nam 6

1.2 Nội dung, mục đích của luận văn 9

Chương 2: Tổng quan về hệ thống N-SAT-HEO và hệ thống 3G 10

2.1 Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh N-SAT-HEO của Nhật 10

2.1.1 Cấu hình hệ thống 10

2.1.2 Các tham số hệ thống 12

2.1.2.1 Băng tần 12

2.1.2.2 Phân cực 12

2.1.2.3 Điều chế sóng mang 12

2.1.2.4 Hệ số cắt (roll-off factor) 12

2.1.2.5 Tham số quỹ đạo 12

2.1.2.6 Anten vệ tinh 14

2.2 Sơ lược về cấu trúc hệ thống di động thế hệ ba (3G hay IMT-2000 ) 15

2.2.1 Các dịch vụ cơ bản của 3G 15

2.2.2 Các giao diện vô tuyến của 3G (IMT-2000) 16

2.2.2.1 Tiêu chuẩn CDMA băng rộng (Wide band CDMA-WCDMA) 16

2.2.2.2 Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA-2000 ) 17

2.2.2.3 Tiêu chuẩn CDMA song công theo thời gian ( CDMA TDD ) 18

2.2.2.4 Tiêu chuẩn TDMA sóng mang đơn (TDMA Single Carrier) 18

2.2.2.5 Tiêu chuẩn FDMA/TDMA 19

2.2.2.6 Lộ trình nâng cấp lên 3G của Việt nam 19

2.2.3 Các loại cell 19

2.2.4 Băng tần 20

Phần II: Phương pháp xác định ảnh hưởng của nhiễu từ hệ thống vệ tinh tới hệ thống 3G 22

Chương 3: ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống 3G 22

3.1 Nhiễu trong hệ thống CDMA 22

3.1.1 Khái niệm về nhiễu 22

3.1.1.1 Khái niệm và phân loại nhiễu 22

3.1.1.2 Nhiễu cộng và nhiễu nhân -tỷ số tín hiệu/nhiễu 23

3.1.2 Kỹ thuật trải phổ và CDMA 25

3.1.2.1 Giới thiệu chung 25

3.1.2.2 Băng thông của tín hiệu trải phổ 27

3.1.2.3 Mã ngẫu nhiên 27

3.1.2.4 Hệ thống máy phát, máy thu trải phổ trực tiếp (DSSS) 29

3.1.2.4.1Máy phát DSSS-BPSK 29

3.1.2.4.2Máy thu DSSS-BPSK 30

3.1.2.5 Mật độ phổ công suất 32

3.1.2.6 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 34

3.1.3 Nhiễu trong hệ thống CDMA 34

3.1.3.1 Với nhiễu tạp âm Gausse trắng cộng (AWGN), No 36

3.1.3.2 Nhiễu băng hẹp 36

3.1.3.3 Nhiễu băng rộng 37

3.1.3.4 Nhiễu đồng kênh (từ các người sử dụng khác) 37

3.2 ảnh hưởng của nhiễu tới mạng 3G 39

3.2.1 Tổng quan 39

3.2.2 Phương pháp tính suy giảm vùng phủ sóng của hệ thống 3G do nhiễu 40

3.2.2.1 Tính toán hệ số tăng tạp âm nhiệt của đường lên CDMA 41

3.2.2.2 Tính toán hệ số suy giảm vùng phủ của 1 sector 44

3.2.2.3 ảnh hưởng của nhiễu tới một site 3G có nhiều sector 45

Chương 4: Phương pháp tính toán mức nhiễu 49

4.1 Phương pháp tính mức nhiễu từ hệ thống N-SAT-HEO vào trạm gốc 3G 49

4.1.1 Thuật toán 49

4.1.2 Hệ số phân cách phân cực 54

4.1.3 Các hệ số suy hao khác 54

4.1.4 Tính toán độ tăng ích búp sóng phụ của anten trạm gốc 3G 54

4.2 Xác định vị trí tức thời của một vệ tinh phi địa tĩnh trong không gian 55

4.2.1 Ba định luật Kepler 55

4.2.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh 58

4.2.3 Xác định vị trí của vệ tinh trong không gian 60

4.2.3.1 Xác định toạ độ vệ tinh 60

4.2.3.2 Xác định Ly giác của nút lên u(t) theo thời gian 64

4.2.4 Xác định góc ngẩng và góc phương vị 69

Phần III: Xác định ảnh hưởng của nhiễu với điều kiện thực tế Việt nam 71

Chương 5: Thực hiện xác định ảnh hưởng của nhiễu với điều kiện thực tế của Việt nam 71

5.1 Thuật toán chương trình thực hiện phép tính 71

5.2 Các tham số sử dụng 74

5.2.1 Hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO 74

5.2.2 Hệ thống 3G 75

5.3 Chương trình dùng bảng tính excel 77

5.3.1 Phần số liệu đầu vào 77

5.3.2 Phần tính toán 79

5.3.3 Phần hiển thị kết quả 82

5.4 Chương trình Visual Basic 84

5.4.1 Giao diện chương trình 85

5.4.2 Phần mã chương trình 88

5.4.3 Hiển thị kết quả chi tiết 88

Chương 6: Kết quả, nhận xét và kiến nghị 90

6.1 Kết quả tính cho một số địa điểm cụ thể tại Việt nam 90

6.2 Nhận xét 91

6.3 Kiến nghị 93

tài liệu tham khảo 95

Phụ lục 1: Mã chương trình VB 97

Phụ lục 2: Chương trình Excel 112

Danh mục các hình vẽ Hình 1: Bảng phân bổ tần số băng 2.6 GHz của ITU 7

Hình 2:Hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO 11

Hình 3: Vết di chuyển trên mặt đất của vệ tinh N-SAT-HEO 14

Hình 4: Lộ trình nâng cấp lên 3G mạng di động Việt nam 19

Hình 5: các loại cell của 3G (IMT-2000) 20

Hình 6: Các phương án quy hoạch tần số cho IMT-2000 21

Hình 7:Chuỗi PN với chu kỳ N=15 28

Hình 8:Sơ đồ khối máy phát DSSS BPSK và các dạng tín hiệu 29

Hình 9: sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK và các dạng tín hiệu 31

Hình 10: phổ công suất trong hệ thống DSSS-BPSK 33

Hình 11: Các loại nhiễu trong hệ thống CDMA 35

Hình 12: Phổ của một tín hiệu băng hẹp gây nhiễu cho mạng S-Fone tại Tp.HCM 37

Hình 13: Nhiễu đồng kênh (từ các người sử dụng khác) 38

Hình 14: Nhiễu làm giảm khoảng cách phủ sóng 40

Hình 15:Biến thiên của hệ số tăng tạp âm đường lên và data throughput 43

Hình 16: ảnh hưởng của nhiễu tới cell có 3 sector 46

Hình 17: ảnh hưởng của nhiễu tới trạm gốc đối với ni=0.5, 1, và 2 dB 47

Hình 18: Các tham số quỹ đạo vệ tinh 58

Hình 19:Tam giác cầu ABC 61

Hình 20: Xác định toạ độ vệ tinh 62

Hình 21:Lưu đồ thuật toán 73

Hình 22: Modun tham số quỹ đạo 78

Hình 23: Modun tham số phát xạ 79

Hình 24: Modun xác định góc nút u(t) 80

Hình 25: Modun tính toạ độ, khoảng cách vệ tinh 80

Hình 26: Modun tính góc ngẩng, góc phương vị 81

Hình 27: Modun tính Off-axis Gain của anten Sector 81

Hình 28: Modun tính Isat/Nth và modun tính độ suy giảm vùng phủ sóng 82

Hình 29: Bảng kết quả 82

Hình 30: Vết quỹ đạo vệ tinh trên mặt đất 83

Hình 31: Đồ thị suy giảm vùng phủ sóng với pfd=-113dBW/m2.MHz 84

Hình 32: Giao diện chương trình chung 86

Hình 33: Giao diện chương trình tính Isat/Nth 86

Hình 34: Bảng kết quả tổng hợp của 11 tỉnh được khảo sát 89

Hình 35: Suy giảm vùng phủ sóng với các mức pfd khác nhau 90

Hình 36: Suy giảm vùng phủ của 1BTS tại Tp.HCM vơi các mức pfd khác nhau 91

Danh mục các Bảng biểu Bảng 1:Các tham số đường lên của hệ thống 3G 42

Bảng 2: Số lượng người sử dụng gây ra hệ số tăng tạp âm 43

Bảng 3: Sự suy giảm vùng phủ sóng theo các giá trị Isat/Nth 48

Bảng 5: Tham số hệ thống N-SAT-HEO 74

Bảng 6: Tham số hệ thống 3G 76

Bảng 7: Toạ độ các địa điểm đặt BTS 76

Phần I : Tổng quan Chương 1: Nội dung, mục đích của đề tài

1.1 Tình hình sử dụng băng tần 2500-2690MHz trên thế giới và ở Việt nam

Do đặc tính truyền lan không phụ thuộc biên giới hành chính của sóng vô tuyến điện, nên việc sử dụng các hệ thống thông tin vô tuyến ở các nước nói chung và Việt nam nói riêng phải tuân theo các quy định quốc tế, cụ thể là Thể lệ Vô tuyến điện (Radio Regulations-RR) của Liên minh Viễn thông Quốc tế (the International Telecommunications Union-ITU ) Thể lệ Vô tuyến điện do Hội nghị Thông tin vô tuyến Thế giới (the Worl Radiocommunications Conference-WRC) thông qua và sửa đổi Các WRC thường được tổ chức theo chu kỳ từ 3 đến

2000 1x EV-DO

Thấy trước được nhu cầu phát triển của mạng di động 3G, từ năm 2000, ITU

đã thông qua việc sử dụng thêm băng tần 2500-2690MHz (2.6GHz) cho hệ thống này trên toàn cầu Trong Quy hoạch phổ tần quốc gia của Việt nam, băng tần này cũng đã được xác định giành cho việc triển khai hệ thống 3G trong tương lai gần

Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 2000 (WRC-2000) đã thông qua quyết định cho phép một số nước trong khu vực Châu á Thái bình dương ( Khu vực 3 theo phân chia của ITU) được triển khai các hệ thống Phát thanh số (sound digital broadcasting) qua các vệ tinh phi địa tĩnh (non-GSO satellites) trong băng tần 2630-2655MHz Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới năm 2003 (WRC-03) tiếp tục mở rộng, cho phép các nước này được sử dụng thêm băng tần 2605-2630MHz và cả loại hình vệ tinh địa tĩnh (GSO satellite) để cung cấp loại hình dịch vụ phát thanh số qua vệ tinh nói trên

Hình 1: Bảng phân bổ tần số băng 2.6 GHz của ITU

Ngoài ra, do yếu tố lịch sử, băng tần 2500-2690MHz còn có thể được sử dụng cho các loại hình thông tin vô tuyến cố định (viba, hệ thống truyền hình MMDS, ), các hệ thống thông tin di động mặt đất (hệ thống vô tuyến điều hành taxi, ) thông tin vệ tinh cố định, dịch vụ truyền hình qua vệ tinh Hình 1 trình bày

bảng các loại hình thông tin vô tuyến được phép sử dụng trong băng tần 2655MHz trong Thể lệ Vô tuyến điện 2004 của ITU

2520-Các quy định liên quan đến các hệ thống phát thanh số qua vệ tinh được nêu tại điều khoản 5.418 Quy định sử dụnng IMT-2000 nêu tại điều khoản 5.384A

Điều khoản 5.418 ghi ” ở Hàn quốc, ấn độ, Nhật bản, Pakistan và Thái lan băng tần 2535-2655MHz cũng được phân bổ cho nghiệp vụ Thông tin quảng bá (phát thanh) qua vệ tinh và hệ thống phụ trợ dưới mặt đất như là một nghiệp vụ chính Việc sử dụng đó chỉ hạn chế cho các hệ thống phát thanh số ”

Điều khoản 5.384A ghi “ Các băng tần, hay một số đoạn băng tần của các băng, 1710-1885 MHz và 2500-2690MHz, được xác định để các nước sử dụng cho hệ thống IMT-2000 ”

Như vậy, trong khu vực sẽ có một số nước sử dụng băng tần 2605-2655MHz cho hệ thống phát thanh số qua vệ tinh, một số nước sử dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Trên cơ sở các quy định của ITU, Nhật bản hiện đang có kế hoạch triển khai

hệ thống phát thanh số qua vệ tinh phi địa tĩnh (non-GSO BSS) với tên gọi là SAT-HEO trong băng tần 2630-2655MHz và dự kiến sẽ cung cấp dịch vụ vào năm 2008 Hàn quốc cũng đang có dự định xây dựng một hệ thống khác làm việc trong băng tần 2605-2630 MHz

N-Với Việt nam, băng tần 2500-2690MHz hiện đang được Đài truyền hình Việt nam sử dụng cho hệ thống truyền hình MMDS Tuy nhiên, trong thời gian tới, theo Quy hoạch phổ tần quốc gia băng tần này dự kiến sẽ được sử dụng cho

hệ thống thông tin di động 3G (IMT-2000)

1.2 Nội dung, mục đích của luận văn

Dù hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO chỉ cung cấp dịch vụ ở Nhật bản, nhưng

đây là hệ thống vệ tinh có công suất lớn, sử dụng băng tần trùng với băng tần của

hệ thống 3G nên khả năng búp sóng phụ của hệ thống vệ tinh này vẫn có mức công suất lớn, gây ảnh hưởng tới hệ thống 3G của các nước trong khu vực, trong

đó có Việt nam

Hiện nay, các Nhóm nghiên cứu (Study Group) của ITU-R cũng đang nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống này tới các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong băng tần 2.6 GHz để xác lập các điều kiện về mức công suất phát xạ phụ mà hệ thống này phải tuân theo ITU đã thống nhất đưa ra một số khuyến nghị (Recommendation) về phương pháp tính (methodology) và các tham số đầu vào làm cơ sở cho việc tính toán chi tiết

Mục tiêu của luận văn này là tìm hiểu phương pháp tính toán, xác định mức

độ ảnh hưởng của hệ thống vệ tinh quỹ đạo cao N-SAT-HEO của Nhật bản tới hệ thống 3G, mà cụ thể là mức độ suy giảm vùng phủ sóng của các trạm BTS (Base Transceiver Station), từ đó áp dụng vào điều kiện của Việt nam

Kết quả tính sẽ được sử dụng để xác định mức công suất phát xạ tối đa có thể chấp nhận được từ hệ thống N-SAT-HEO tới lãnh thổ Việt nam để làm cơ sở đàm phán với Nhật và xây dựng quan điểm của Việt nam về vấn đề này tại ITU

Chương 2: Tổng quan về hệ thống N-SAT-HEO và hệ thống 3G

2.1 Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh N-SAT-HEO của Nhật

Hệ thống N-SAT-HEO được thiết kế để cung cấp các dịch vụ phát thanh chất lượng cao và các dữ liệu đa phương tiện tới các máy thu di động (đặt trên ô tô xe lửa, ), các máy thu xách tay (portable) và máy thu cố định Tín hiệu được phát trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu hoặc phát lại qua hệ thống trạm lặp mặt đất (hình 2)

Hệ thống được thiết kế để tối ưu chất lượng cho cả dịch vụ phát qua vệ tinh trong băng tần 2630-2655MHz cũng như qua hệ thống phát lại mặt đất Đối tượng khách hàng chính là các máy thu đặt trên ôtô

2.1.1 Cấu hình hệ thống

Như được thể hiện ở hình 2, hệ thống bao gồm một trạm mặt đất feeder-link, một hệ thống 3 vệ tinh bay trên quỹ đạo ellipse cao (HEO- Highly Elliptical Orbit), hai kiểu hệ thống phát lại tại vùng lõm mặt đất (terrestrial gap-filler), các

đài thu di động và trên ôtô

Đầu tiên, tín hiệu được truyền, trên tần số 14GHz, từ trạm mặt đất link tới vệ tinh Trên vệ tinh, tín hiệu được chuyển đổi từ 14 GHz xuống 2.6GHz Tín hiệu 2.6 GHz được khuyếch đại tại bộ phát đáp của vệ tinh tới mức công suất mong muốn và sau đó được phát xuống mặt đất bằng một anten lớn đặt trên vệ tinh Riêng tín hiệu phát cho các trạm phát lại tại vùng lõm sẽ được chuyển đổi từ 14GHz xuống 11GHz và được trạm phát lại phát đi trên tần số 2.6 Ghz tới đài thu Các chương trình chính của hệ thống là các dịch vụ phát thanh chất lượng cao và các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện Người nghe/Người xem của dịch vụ này có thể thu tín hiệu từ vệ tinh bằng các anten có độ tăng ích nhỏ Để đảm bảo

feeder-đủ công suất e.i.r.p cho các máy thu trên ôtô, vệ tinh N-SAT-HEO được trang bị một anten phát kích cỡ lớn và các bộ phát đáp công suất cao

Hình 2:Hệ thống vệ tinh N-SAT-HEO Các khó khăn chủ yếu liên quan tới truyền sóng vô tuyến trong băng tần 2.6 GHz là các hiện tượng lõm (shadowing) và che chắn (blocking) đường tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Để khắc phục, hệ thống sử dụng hai kỹ thuật

Kỹ thuật thứ nhất là sử dụng a bit-wise de-inteleaver ở máy thu để chống lại các hiện tượng che (shadowing) và chắn (blocking) bởi các vật thể nhỏ Việc che

và chắn xuất hiện trong điều kiện máy thu trên ôtô như một nhóm (bursts) nhiễu

có độ dài cỡ 1 giây Nhờ sử dụng bộ de-interleaver, burst nhiễu này được phân bố trong một khoảng thời gian vài giây để phù hợp với khả năng sửa sai của hệ thống

Kỹ thuật thứ 2 để khắc phục hiện tượng che và chắn là sử dụng các trạm phát lại mặt đất Các trạm này sẽ phát lại tín hiệu vệ tinh tới đài thu trên băng tần 2.6

GHz nhằm phủ sóng các khu vực bị che chắn Hệ thống có hai kiểu trạm phát lại

để phủ sóng các khu vực bị chắn khác nhau Loại thứ nhất được gọi là trạm phát lại khuyếch đại (amplifying gap-filler), khuyếch đại trực tiếp tín hiệu vệ tinh trên băng tần 2.6GHz nhưng với độ khuyếch đại thấp với vùng phủ sóng bán kính 500m Loại thứ hai là trạm phát lại chuyển đổi tần số (frequency conversion gap-filler), thu tín hiệu vệ tinh ở băng tần 11GHz, phát lại trên băng tần 2.6 GHz với vùng phủ sóng rộng, bán kính tới 3km

2.1.2 Các tham số hệ thống

2.1.2.1 Băng tần

Như đã trình bày ở trên, băng tần chính của hệ thống là 2630-2655MHz, đây

là tần số phát tới máy thu Băng thông là 25MHz

2.1.2.2 Phân cực

Phân cực được sử dụng là phân cực tròn, tuy nhiên hệ thống trặm lặp có thể

sử dụng phân cực tròn hoặc phân cực tuyến tính

2.1.2.5 Tham số quỹ đạo

Hệ thống gồm 3 vệ tinh, hoạt động trên cùng một quỹ đạo phi địa tĩnh có độ cao cận điểm (điểm gần trái đất nhất) là 26931km, độ cao viễn điểm (điểm xa trái

đất nhất) là 44640km, độ nghiêng của quỹ đạo là 42.5° so với mặt phẳng xích

đạo, góc đối số cận điểm ban đầu là 270°, toạ độ điểm lên (ascending node) là 160° Đông Với các tham số như vậy, quỹ đạo của vệ tinh N-SAT-HEO có chu kỳ

đúng bằng chu kỳ của trái đất quay trục của nó là 23 giờ 56 phút 16 giây hay

84164 giây (1 ngày) Ba vệ tinh được phân bố cách đều trên quỹ đạo, mỗi vệ tinh

chỉ hoạt động, hay phát sóng cung cấp dịch vụ, trong 8 giờ mỗi ngày khi vệ tinh trong khoảng cung quỹ đạo từ 4h30 phút trước viễn điểm đến 3h30 phút sau viễn

điểm

Sở dĩ, quỹ đạo ellipse này được sử dụng chứ không phải là quỹ đạo địa tĩnh

là do khi vệ tinh bay gần điểm viễn điểm, các máy thu sẽ nhận được tín hiệu vệ tinh với một góc ngẩng lớn (trên 45 độ) Trong khi với vệ tinh địa tĩnh, với ở nước phía bắc như Nhật, thì góc tới của tín hiệu vệ tinh là nhỏ, nên phần lớn tín hiệu sẽ

bị cản bởi các vật che chắn như nhà cửa, cây cối, và máy thu rất khó có khả năng thu được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, dẫn đến suy hao sẽ rất cao

Hơn nữa, trong một quỹ đạo ellipse, vận tốc của vệ tinh không phải là một hằng số mà đạt tốc độ lớn nhất tại cận điểm và tốc độ nhỏ nhất tại điểm viễn

điểm Vì vậy, với một chu kỳ cho trước, vệ tinh bay trong vùng lân cận của viễn

điểm trong một thời gian lớn hơn và tốc độ thấp hơn so với các phần khác của quỹ

đạo (lý giải chi tiết có thể tham khảo phần 4.2.1, chương 4) Điều đó cho phép việc tạo ra các tuyến liên lạc được lâu hơn, tín hiệu ổn định hơn, ít chịu hiệu ứng Doppler hơn

Hình 3 thể hiện vết di chuyển tương đối của vệ tinh trên bề mặt trái đất (ground track) mà Nhật bản đăng ký với ITU, trong đó khu vực hoạt động của mỗi vệ tinh (active arc) là cung quỹ đạo được tô đậm

Hình 3: Vết di chuyển trên mặt đất của vệ tinh N-SAT-HEO

2.1.2.6 Anten vệ tinh

Anten trên vệ tinh N-SAT-HEO tạo ra vùng phủ sóng trên mặt đất bằng nhiều búp sóng nhỏ chồng lấn nhau (multiple overlapping spot beams) Mỗi búp (beam) có thể hoạt động trên bất kỳ tần số nào của hệ thống

Độ tăng ích (gain) của anten vệ tinh theo góc ngẩng (elevation angle) thay

đổi theo theo góc phương vị (azimuth) Vì vậy, mật độ thông lượng công suất do

vệ tinh phát xuống mặt đất sẽ được tính theo cách sau: cho trước mật độ công suất phát của vệ tinh tại viễn điểm của quỹ đạo (độ cao 44 640 km so với mặt đất),

đây là mức mật độ công suất cao nhất Mức công suất phát của vệ tinh tại các vị trí khác trên quỹ đạo sẽ được tự động điều chỉnh giảm xuống nhằm duy trì một mức Mật độ thông lượng công suất (PFD-power flux density) không đổi trên mặt

đất, bất kể vệ tinh đang bay ở độ cao nào Để đạt được điều này, công suất và mật

độ công suất sẽ được giảm theo tỷ lệ căn bậc 2 của độ giảm về độ cao của vệ tinh

so với độ cao của viễn điểm - 44 640km Công thức tính mức suy giảm về công suất và mật độ công suất như sau:

- A là độ cao so với mặt đất của vệ tinh, tính theo km

2.2 Sơ lược về cấu trúc hệ thống di động thế hệ ba (3G hay IMT-2000 ) 2.2.1 Các dịch vụ cơ bản của 3G

IMT-2000 có băng thông lớn hơn rất nhiều so với các thế hệ 2G hiện tại nên

IMT-2000 được dùng để thoả mãn nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu cao cho các dịch vụ như điện thoại thấy hình, truy nhập internet tốc độ cao

Các dịch vụ cơ bản của IMT 2000 bao gồm:

+ Dịch vụ thoại: dịch vụ thoại chất lượng cao từ một thuê bao đến một hoặc nhiều thuê bao, dịch vụ thư thoại

+ Dịch vụ nhắn tin: bản tin ngắn, nhắn tin đa phương tiện, thư điện tử, quảng bá thông tin, đặt hàng/thanh toán (thương mại điện tử )

+ Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh: truy nhập mạng LAN sử dụng phương thức Dial-up tốc độ thấp, truy nhập internet/intranet, fax

+ Dịch vụ đa phương tiện tốc độ trung bình: truy cập mạng LAN và internet/intranet, trò chơi tương tác, chơi sổ số, dịch vụ quảng bá thông tin, mua

hàng trực tuyến ở mức độ đơn giản và các dịch vụ ngân hàng (thương mại điện tử)

+ Dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao: truy cập mạng LAN và internet/intranet tốc độ cao, video và audio theo yêu cầu, mua hàng trực tuyến

+ Dịch vụ đa phương tiện tương tác tốc độ cao: điện thoại có hình, hội nghị truyền hình, làm việc theo nhóm và đào tạo từ xa vv

Như vậy, ta có thể thấy nhiều dịch vụ của IMT-2000 có tính không đối xứng (asymmetric) về lưu lượng giữa đường lên và đường xuống Mỗi ô của hệ thống

IMT-2000 cần có tính năng không đối xứng động

2.2.2 Các giao diện vô tuyến của 3G (IMT-2000)

ITU đã thông qua 5 tiêu chuẩn giao diện vô tuyến của 3G với mục tiêu là tối thiểu số lượng các giao diện vô tuyến khác nhau, tối đa các đặc tính chung của các tiêu chuẩn và đảm bảo khả năng nâng cấp từ các mạng hiện tại lên 3G

Có hai chế độ làm việc của 3G là song công theo thời gian - FDD (frequency division duplex) và song công theo thời gian-TDD (Time Division Duplex) FDD

là chế độ trong đó việc thu và phát được thực hiện trên hai băng tần khác biệt, còn ở chế độ TDD thì sử dụng cùng băng tần nhưng khác nhau về thời điểm

2.2.2.1 Tiêu chuẩn CDMA băng rộng (Wide band CDMA-WCDMA)

Giao diện vô tuyến này còn được gọi là “ Giao diện vô tuyến mặt đất chung” UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) hay DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access: CDMA trải phổ trực tiếp), sử dụng phương thức song công phân chia theo tần số FDD Thông tin được truyền trên băng tần rộng 5 MHz bằng phương pháp trải phổ trực tiếp với tốc độ chip 3,84 Mcps

Tiêu chuẩn này sử dụng mạng lõi GSM-MAP cải tiến (mạng lõi GSM), tuy nhiên nó cũng có khả năng làm việc với mạng lõi ANSI-41 cải tiến

Tốc độ truyền dữ liệu của tiêu chuẩn này là 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao và 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà Hiện nay đã xuất hiện chuẩn WCDMA cải tiến gọi là HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) cho phép tốc độ truyền tới hơn 14,2 Mbit/s

2.2.2.2 Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA-2000 )

Tiêu chuẩn CDMA đa sóng mang (CDMA Multi carrier, CDMA-2000) sử dụng phương thức song công phân chia theo tần số FDD, được xây dựng trên cơ

sở tương thích với các mạng CDMA IS-95, IS-95A và IS-95B nên sử dụng các sóng mang rộng Nx1,25 MHz (N=1,3,6,9 ) Với sóng mang 1X cho phép truyền dữ liệu với tốc độ 144 Kbit/s, khi cần truyền tốc độ tới 2 Mbit/s thì phải sử dụng 3 sóng mang 1X có độ rộng 3,75 MHz theo phương thức điều chế đa sóng mang hoặc trải phổ trực tiếp trên 1 sóng mang có độ rộng 3X Ngoài ra, có thể kết hợp

6, 9, 12 sóng mang hoặc nhiều hơn nữa để nâng cao tốc độ đường truyền Tốc độ trải phổ là Nx1,2288 Mcps với N là số lượng sóng mang 1X

Hiện nay, các mạng CDMA-2000 1x đang phát triển theo hướng nâng cấp lên CDMA 2000 1xEV-DO (CDMA 2000 1x Evolution-Data Only) cho phép tốc

độ truyền tối đa là 2,4 Mbit/s và CDMA 2000 1xEV-DV (CDMA 2000 1X Evolution-Data and Voice) cho phép tốc độ truyền tối đa là 5,2 Mbit/s

Tại Việt nam, mạng di động S-Fone hiện đang sử dụng công nghệ

CDMA-2000 Trong khi công ty Viễn thông điện lực sắp đưa vào khai thác mạng di động toàn quốc sử dụng công nghệ CDMA 1xEV-DO

2.2.2.3 Tiêu chuẩn CDMA song công theo thời gian ( CDMA TDD )

Tiêu chuẩn CDMA TDD bao gồm 2 tiêu chuẩn: UTRA-TDD (Universal Terrestrial Radio Access-TDD) và TD-SCDMA

- Tiêu chuẩn UTRA-TDD có cùng họ với tiêu chuẩn WCDMA, sử dụng phương thức trải phổ trực tiếp trên băng tần rộng 5 MHz với tốc độ trải phổ 3,84 Mcps Nó cho phép tốc độ truyền 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao

và 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà

- Tiêu chuẩn TD-SCDMA sử dụng phương thức trải phổ trực tiếp trên băng tần rộng 1,6 MHz với tốc độ trải phổ1,28 Mcps Tốc độ truyền cho phép 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao và 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà Cả 2 tiêu chuẩn này dùng chung một sóng mang cho cả đường lên và đường xuống do đó tiết kiệm được phổ tần

Hai tiêu chuẩn này sử dụng mạng lõi GSM-MAP cải tiến, tuy nhiên nó cũng

có khả năng làm việc với mạng lõi ANSI-41 cải tiến

2.2.2.4 Tiêu chuẩn TDMA sóng mang đơn (TDMA Single Carrier)

Tiêu chuẩn này còn được gọi là tiêu chuẩn thông tin vô tuyến chung-136 (UWC-136: Universal Wireless Communication-136), sử dụng phương thức song công FDD Nó được phát triển nhằm mục đích tăng cường tối đa sự tương đồng giữa hệ thống TIA/EIA-136 (hệ thống AMPS) và GSM-GPRS Tiêu chuẩn này còn nhằm mục đích nâng cấp các hệ thống TIA/EIA-136 lên IMT-2000 Để thực hiện việc này, người ta kết hợp các sóng mang 30 KHz với 1 sóng mang 200 KHz

để cung cấp dịch vụ truyền số liệu với tốc độ 384 Kbit/s cho môi trường di chuyển tốc độ cao Hoặc kết hợp các sóng mang 30 KHz với một sóng mang 1,6 MHz để cung cấp tốc độ truyền tới 2 Mbit/s cho môi trường trong nhà

2.2.2.5 Tiêu chuẩn FDMA/TDMA

Tiêu chuẩn này còn được gọi là DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), được phát triển trên cơ sở một số tiêu chuẩn ETSI của Châu Âu

Sử dụng phương thức song công TDD, cho phép thực hiện các kết nối đối xứng hoặc không đối xứng với tốc độ truyền tối đa 2,88 Mbit/s

2.2.2.6 Lộ trình nâng cấp lên 3G của Việt nam

Trên cơ sở lộ trình nâng cấp các mạng thông tin di động 2G lên 3G trên thế giới, lộ trình tiến lên 3G của các mạng di động Việt nam được trình bày ở hình 4

Hình 4: Lộ trình nâng cấp lên 3G mạng di động Việt nam 2.2.3 Các loại cell

Để cung cấp các loại dịch vụ, linh hoạt và giảm chi phí đầu tư triển khai mạng thì nhà khai thác phải xây dựng mạng có cấu trúc cell phân lớp bao gồm 4 lớp Trong đó bao gồm một lớp Macro cell, 2 lớp Micro cell và 1 lớp Pico cell (mỗi lớp mạng yêu cầu 1 sóng mang) Chức năng của từng lớp như sau:

+ Macro-cell: cung cấp vùng phủ sóng rộng và nó đáp ứng các thuê bao di chuyển tốc độ cao

GSM

CDMA2000 1X

EDGE TD-SCDMA WCDMA,

CDMA 2000 1X EV-DO, CDMA 2000 1X EV-DV, CDMA 2000 Multi-carier GPRS

Mạng 2G Mạng 2,5G Mạng 3G

+ Micro-cell: được sử dụng trên các khu phố hoặc những nơi có mật độ thuê bao cao nhằm chia sẻ lưu lượng khi macro-cell không đáp ứng được Đối với mạng IMT-2000, do yêu cầu phải cung cấp các dịch vụ có tốc độ truyền lên đến 2 Mbit/s nên phương án tối ưu là có 2 lớp micro-cell Trong đó 1 lớp giành cho cung cấp dịch vụ tốc độ truyền 2 Mbit/s và một lớp giành cho cung cấp các dịch

vụ có tốc độ truyền thấp hơn

+ Pico-cell: được sử dụng chủ yếu cho môi trường trong nhà hoặc các khu vực có mật độ thuê bao rất cao nhằm chia sẻ lưu lượng cho micro-cell

Hình 5: các loại cell của 3G (IMT-2000) 2.2.4 Băng tần

Các băng tần được xác định giành cho IMT-2000 bao gồm:

- 1885-2025 MHz và 2110-2200MHz (được Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 1992 thông qua);

- 806-960MHz, 1710-1885MHz, 2500-2690MHz (được Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 2000 thông qua);

Hiện nay, Nhóm nghiên cứu 8 của ITU-R đang tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm thêm các băng tần khác để dùng cho IMT-2000, trong đó có khẳ năng sẽ lựa chọn băng tần 450MHz là băng tần mà Công ty viễn thông điện lực đang sử dụng cho mạng điện thoại di động CDMA-1xEVDO của mình

Khuyến nghị ITU-R M.1036 đưa ra phương án xắp xếp các băng tần nói trên cho IMT-2000 như hình 6 Đối với băng tần 2500-2690MHz, Khuyến nghị chưa

đưa ra phương án phân chia cụ thể và hiện vẫn còn đang được nghiên cứu

Hình 6: Các phương án quy hoạch tần số cho IMT-2000

Phần II: Phương pháp xác định ảnh hưởng của nhiễu từ

hệ thống vệ tinh tới hệ thống 3G Chương 3: ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống 3G

Như đã trình bày ở trên, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 mà Việt nam sẽ triển khai dựa trên công nghệ CDMA Công nghệ này được coi là công nghệ chống nhiễu và đôi khi vì lý do thương mại mà người ta đã quá nhấn mạnh đến ưu

điểm này Tuy nhiên, cả thực tế và lý thuyết đều cho thấy các hệ thống CDMA vẫn chịu ảnh hưởng của nhiễu Phần nội dung tiếp theo của luận văn sẽ trình bày

ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống CDMA

3.1 Nhiễu trong hệ thống CDMA

3.1.1 Khái niệm về nhiễu

3.1.1.1 Khái niệm và phân loại nhiễu

Một vấn đề trung tâm của bài toán thông tin là tín hiệu và nhiễu Trong một

hệ thống thông tin vô tuyến, nhiễu là tất cả các tín hiệu không mong muốn nhận

được bên cạnh tín hiệu mong muốn, gây khó khăn cho việc thu và xử lý tín hiệu mong muốn Nhiễu có thể nguồn gốc từ hiệu ứng nhiệt sinh ra trong nội bộ tín hiệu, do các các tín hiệu của hệ thống vô tuyến khác gây ra, nhiễu vũ trụ,

Nguồn gốc sinh ra nhiễu, hình dạng của chúng cũng như phương thức mà chúng tác động lên tín hiệu hữu ích rất khác nhau Do đó, việc phân loại chúng có nhiều cách khác nhau Nhiễu có thể được phân loại;

- Theo quy luật biến thiên theo thời gian, ví dụ các nhiễu xung và nhiễu liên tục,

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

- Theo luật phân bố xác suất sẽ có nhiễu trắng, nhiễu mầu,

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

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

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

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

- Tăng công suất của nguồn tín hiệu;

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

là tích số của tín hiệu có ích với thăng giáng của nhiễu Như vậy, ta đã quy

được nhiễu nhân về thành nhiễu cộng tương đương ξ Nếu áp dụng định nghĩa tỷ

số tín hiệu/nhiễu ta có:

{ } M { }n

n m

s

2 2

2

2 2

=

=

ξ ρ

Tỷ số tín hiệu/nhiễu có thể xác định được dựa vào trị trung bình và phương sai của nhiễu

Để chống tác dụng của nhiễu nhân có nhiều cách khác nhau, trong đó có biện pháp dùng các mạch từ động điều chỉnh độ khuyếch đại Mạch này có tính chất là nếu nhận được ở đầu vào tín hiệu x=ns thì nó sẽ đưa ra ở đầu ra tín hiệu

y = x 1/n = s

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

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

y = x /n1 = s + n2/n1

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

3.1.2 Kỹ thuật trải phổ và CDMA

3.1.2.1 Giới thiệu chung

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

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

- Tăng công suất tín hiệu để cải thiện S/N: biện pháp này bị hạn chế bởi các quy định quốc tế ràng buộc để tránh ảnh hưởng đến các hệ thống khác Mặt khác

nó phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật, công nghệ chế tạo thiết bị

- Tăng độ dài tín hiệu: kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin để cải thiện S/N, biện pháp này phải trả giá bởi tốc độ truyền tin bị giảm đáng kể

- Trải rộng phổ tín hiệu

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

Bản chất của quá trình trải phổ triệt nhiễu, trong hệ thống thôn tin trải phổ trực tiếp, là ở đầu phát người ta sử dụng mã trải phổ có độ rộng băng tần lớn điều chế với thông tin cần truyền để phát đi Tín hiệu hữu ích sau điều chế trải phổ sẽ

có băng thông được trải rộng ra xấp xỉ bằng băng thông của mã trải phổ Tại đầu thu, ngoài tín hiệu trải phổ ngoài tín hiệu trải phổ thu được còn có tín hiệu không mong muốn gọi chung là nhiễu Để tách tín hiệu mang thông tin cần nhận ta sử dụng bản sao của mã trải phổ để giải điều chế tín hiệu thu được Đối với tín hiệu mang thông tin được trải phổ ở đầu phát thì quá trình điều chế chính là quá trình

nén phổ, còn với các tín hiệu không mong muốn khác (nhiễu) thì đó là quá trình trải phổ Do vậy, sau khi giải điều chế thì mật độ phổ tín hiệu cần thu sẽ cao, còn

mật độ phổ của nhiễu bị giảm do bị trải phổ Ví dụ về hệ thống trải phổ trực tiếp

điều chế BPSK phần dưới sẽ làm rõ hơn điều này

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

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

- Sự trải phổ được thực hiện bởi mã trải phổ độc lập với tín hiệu số liệu

Trong các hệ trải phổ chuỗi trực tiếp, tất cả mọi người đều dùng chung một băng tần số Để phân biệt, mỗi người dùng được phân bổ một mã PN duy nhất Vì vậy, hệ thống thống này được gọi là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã CDMA

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

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

- Thứ hai là do đặc tính của các chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN Các mã PN

được thiết kế sao cho có tính tương quan chéo thấp để chúng hầu như trực giao nhau Hai tín hiệu sj(t) và sk(t) được gọi là trực giao khi chúng có tính chất sau:

k j dt

t sk

( )

Vì vậy, về lý tưởng thì hoàn toàn không có can nhiễu giữa các người sử dụng với nhau Tuy nhiên, trên thực tế thì điều này vẫn tồn tại, nhưng không nguy hiểm như đối với các hệ thống truyền dẫn băng hẹp

3.1.2.2 Băng thông của tín hiệu trải phổ

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

C

1 log 44

1 2

1 1

4 3

S N

S N

S N

B

C

44

thu chủ định, nhưng thể hiện giống tạp âm với máy thu không chủ định Mã này thường được gọi là chuỗi giả tạp âm (PN- Pseudo-Noise) Chuỗi PN là một chuỗi

số được lặp lại theo một chu kỳ nhất định

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

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

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

Ta sử dụng { ci, i= số nguyên}= { , ci-1, c0, c1, } để biểu thị chuỗi PN Giả

sử N là chu kỳ sao cho ci+N = ci Để một chuỗi {ai}là một chuỗi giả tạp âm tốt, giá trị của ai phải độc lập với giá trị của aj đối với mọi i ≠ j Để đảm bảo điều này

lý tưởng, chuỗi trên không được lặp lại, nghĩa là phải có chu kỳ vô tận Trong thực tế vì PN phải tuần hoàn nên chù kỳ của nó phải lớn để đạt được tính ngẫu nhiên tốt

Hình 7:Chuỗi PN với chu kỳ N=15

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

PN này là:

) (

−∞

=

( 9)

Trong đó, ∏T (t) là xung chữ nhật đơn vị, ck được gọi là chip và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chip Tín hiệu PN có chu kỳ là NTc và PN được gọi là tín hiệu trải phổ

Đối với chúng ta, tiện lợi hơn cả là mô hình tín hiệu PN như là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, nghĩa là ta coi ci là +1 hay -1 với xác suất như nhau, ci , cj

độc lập với nhau nếu i ≠ j

3.1.2.4 Hệ thống máy phát, máy thu trải phổ trực tiếp (DSSS)

3.1.2.4.1 Máy phát DSSS-BPSK

Sơ đồ khối máy phát DSSS sử dụng BPSK được cho như trong hình 8

Hình 8:Sơ đồ khối máy phát DSSS BPSK và các dạng tín hiệu

Ta có thể biểu diễn số liệu hay bản tin nhận được các giá trị ± 1 như sau:

Trong đó A là biên độ, fc là tần số sóng mang và θ là pha của sóng mang Thông thường, người ta chọn chu kỳ của bit bản tin bằng chu kỳ của tín hiệu PN nghĩa là T= NTc

Từ biểu thức trên ta thấy tín hiệu ra s(t) cũng là một tín hiệu cơ số 2, có cùng tần số với tín hiệu PN Ví dụ ở hình 8 cho thấy rõ hơn điều này

3.1.2.4.2 Máy thu DSSS-BPSK

Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin b(t) với các số liệu {bi}từ tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu được phát cộng với tạp âm Do tồn tại trễ truyền lan τ nên tín hiệu thu được là:

s(t-τ) + n(t) = A b(t-τ) c(t-τ) cos[2πfc(t-τ) + θ] + n(t) ( 12)

trong đó n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu Để giải thích quá trình khôi phục lại bản tin ta giả thiết rằng không có tạp âm Trước hết tín hiệu được giải trải phổ để giảm băng rộng vào băng tần hẹp Sau đó nó được giải điều chế để nhận được tín hiệu gốc

Để giải trải phổ tín hiệu thu được nhân với tín hiệu PN là c(t-τ) được tạo ở máy thu Ta có:

w(t) = A.b(t-τ) c2(t-τ) cos[2πfct + θ’] = A.b(t-τ) cos[2πfct + θ’] ( 13)

Hình 9: sơ đồ khối máy thu DSSS-BPSK và các dạng tín hiệu

Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần là 2/T Để giải

điều chế, ta giả thiết rằng máy thu biết được pha θ’, tần số fc và điểm khởi đầu của từng bit Một bộ giải điều chế BPSK cùng với một bộ tương quan là một bộ

đánh giá ngưỡng Để tách ra bit số liệu thứ i, bộ tương quan tính toán:

f t

w

T t

f t

f t

b

A

) ' 2 4

cos(

1 ).[

(

Trong đó ti = iT + τ là thời điểm đầu của bit thứ i Vì b(t-τ) là + 1 hoặc -1 trong thời gian 1 bit, thành phần thứ nhất của tích phân sẽ cho ta T hoặc -T, thành phần thứ 2 là thành phần nhân đôi tần số nên tích sau tích phân gần bằng 0 Vì

vậy, kết quả cho zi = AT/2 hoặc -AT/2 Cho kết quả này qua thiết bị đánh giá ngưỡng (hay bộ so sánh) với ngưỡng 0, ta được đầu ra cơ số hai 1 (logic “1”) hay -1 (logic “0”) Ngoài thành phần tín hiệu ± AT/2, đầu ra của bộ tích phân cũng có thành phần tạp âm có thể gây lỗi

Tín hiệu PN đóng vai trò như một mã được biết trước ở cả máy phát lẫn máy thu chủ định Vì máy thu chủ định biết trước mã nên có thể giải trải phổ tín hiệu

SS để nhận ra bản tin Máy thu không chủ định không biết được mã, vì thế nó không thể giải mã bản tin Máy thu không chủ định chỉ nhìn thấy một tín hiệu ngẫu nhiên ± 1

Tín hiệu PN có biên độ = ± 1, tốc độ chip 1/Tc nên mật độ phổ công suất là:

Điều chế sóng mang BPSK chuyển tín hiệu băng gốc b(t).c(t) vào tín hiệu truyền dẫn băng thông s(t) có mật độ phổ công suất là:

Φw(f) = A2T {sinc2(f-fc)T + sinc(f+fc )T}/4 ( 17)

Ta thấy rằng Φw(f) có mật độ phổ công suất băng hẹp với cùng dạng phổ như b(t) nhưng được dịch sang trái và phải fc Độ rộng băng tần của w(t) là 2/T, gấp

hai lần b(t) Từ mật độ phổ của tín hiệu ta thấy rằng mật độ phổ công suất của b(t)

được trải phổ bởi c(t) và sau đó được giải trải phổ bởi c(t-τ) ở máy thu

3.1.2.6 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Trong các hệ thống di động CDMA, do các máy di động đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây can nhiễu đồng kênh với nhau Chất lượng

đường truyền vô tuyến đối với mỗi người sử dụng phụ thuộc vào mức độ gây nhiễu của các người sử dụng khác, tức là mức công suất mà trạm gốc thu được từ những những máy di động khác Công suất thu được phụ thuộc vào công suất phát

ra của máy di động và khoảng cách giữa máy di động với trạm gốc Nếu công suất thu được từ các máy di động khác là lớn, tạo nên nền nhiễu cao sẽ làm giảm dung lượng của cả hệ thống Đây chính là lý do để việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là bắt buộc

Nguyên tắc và mục đích điều khiển công suất là làm sao cho công suất thu

được tại trạm gốc từ các máy di động là không quá nhỏ, cũng không quá lớn Không quá nhỏ để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu đạt giá trị yêu cầu, không quá lớn để không gây ra nhiễu giao thoa quá mức nguy hại

Việc điều khiển công suất được xem là lý tưởng khi ở trạm gốc công suất thu

được là như nhau đối với tất cả người sử dụng Công suất này phải chỉ vừa đủ để khôi phục lại tín hiệu có ích thì dung lượng hệ thống sẽ đạt được mức độ cực đại

3.1.3 Nhiễu trong hệ thống CDMA

Trong việc thiết kế hệ thống CDMA, tỷ số Eb/Io (năng lượng bít/ công suất trên 1 Hz) đóng vai trò quan trọng vì nó liên quan đến tỷ lệ lỗi khung Tỷ số Eb/Io lại phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/I theo quan hệ:

Trong đó, Rb là tốc độ bit/s, B là độ rộng băng thông kênh CDMA, η là % thoại hoạt động (speech activity) Tỷ số B/Rb còn được gọi là độ tăng ích xử lý (processing gain) của hệ thống Giá trị của C/I xác định tương quan giữa mật độ phổ công suất của tín hiệu hữu ích và mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu (đơn vị: năng lượng bức xạ/Hz)

Đối với hệ thống thông thường, vì cả hai tín hiệu là băng hẹp nên có thể sử dụng trực tiếp tỷ số mức tín hiệu/nhiễu A(s)/A(i) Còn đối với hệ thống CDMA, cần phải tính đến yếu tố trải phổ để đưa về đúng bản chất là tỷ số năng lượng bức xạ trên 1 Hz Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được tính là mật độ phổ công suất của tín hiệu có ích và mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu sau khi đã được giải trải phổ Vì tính chất này, với hệ thống CDMA có phân biệt các dạng nhiễu: nhiễu tạp

âm nhiệt, nhiễu băng rộng, nhiễu băng hẹp, nhiễu từ các người sử dụng cùng cell

và khác cell gây ra

Hình 11: Các loại nhiễu trong hệ thống WCDMA

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

- Tb: chu kỳ bit = 1/Rb, Rb: tốc độ bit ≅ 1/Bs, Bs: độ rộng băng tín hiệu

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

- PG: độ lợi xử lý = Tb/Tc = Rc/Rb

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

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

Phần dưới đây ta sẽ xét tỷ số SNR với từng dạng nhiễu, liên quan giữa chu kỳ bit Tb, chu kỳ chip Tc với SNR

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

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

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

No

Tb s P

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

điểmm loại bỏ AWGN trong kênh

3.1.3.2 Nhiễu băng hẹp

Nhiễu băng hẹp là dạng nhiễu có băng tần nhỏ hơn độ rộng băng tần trải phổ B(i) < B Giả sử xuất hiện nhiễu băng hẹp tại đầu thu Nhờ đặc tính tương quan giữa tín hiệu hữu ích và bộ mã nén phổ tại đầu thu, mức tín hiệu sẽ được nâng cao Trong khi đó, tín hiệu nhiễu sẽ bị trải ra một băng tần rộng nên công suất nhiễu tại băng thông máy thu sẽ giảm

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

) ( ).

(

).

(

i B i P

Tb s P

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

Ví dụ, với hệ thống CMDA2000-1x có tốc độ bit R(b) = 9.6 kbps, tốc độ chip là R(c) = 1.2288 Mchps, nhiễu có độ rộng băng tần bằng độ rộng tín hiệu có ích thì ta có Tb/Tc = 1.288/9.6 = 128, tức làm giảm nhiễu đi 128 lần (21 dB)

Hình 12: Phổ của một tín hiệu băng hẹp gây nhiễu cho mạng S-Fone tại Tp.HCM

3.1.3.3 Nhiễu băng rộng

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

) ( / ) (

).

(

i B i P

Tb s P

Tỷ số SNR không phụ thuộc vào Tc Nhưng khi Tc càng nhỏ, tức băng trải phổ càng rộng, thì càng ít có khả năng có nhiễu băng rộng

Tỷ số P(i)/B(i) chính là mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu băng rộng

3.1.3.4 Nhiễu đồng kênh (từ các người sử dụng khác)

Trong hệ thống CDMA, do tất cả các máy di động đều sử dụng chung tần số

ở tất cả các cell nên xẩy ra nhiễu đồng kênh Vì vậy, nếu cell có K người sử dụng thì với mỗi người sử dụng có k-1 người còn lại là gây nhiễu nên tín hiệu nhiễu thường cao hơn nhiều tín hiệu mong muốn Tại đầu thu, chỉ có tín hiệu của người

sử dụng chủ định được giải trải phổ còn tín hiệu thu được từ các người sử dụng khác sẽ tạo thêm tạp âm nhiễu cho cho người sử dụng xem xét Giả sử cùng một lúc có K người sử dụng, tỷ số SNR là:

Tc iuser P

Tb sk P Tc P

Tb sk P

k j j rj

).

(

).

( )

) 1 ( (

).

(

1

= +

Trong đó, P(sk) là công suất thu từ người thu chủ định; Prj là công suất thu

được từ người thứ j; β là hệ số nhiễu từ các ô khác, thường từ 0,56-1,28; γ là hệ số tích cực tiếng, từ 0,4-0,6; λ là hệ số điều khiển công suất, thường từ = 0,7-0,85

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

và giải điều chế giá trị này bằng không do tính trực giao và tính tương quan chéo của các chuỗi PN Tuy nhiên thực tế không đạt được như vậy và vẫn có nhiễu

đồng kênh từ những người sử dụng khác Khi thiết kế, người ta đã tính toán các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ để giảm nhiễu đồng kênh Trong trường hợp số người sử dụng đạt ngưỡng tối đa, P(iuser) được tính như sau:

Piuser = (Kmax-1)(1+β) γ Pr/λ

Hình 13: Nhiễu đồng kênh (từ các người sử dụng khác) Tóm lại, tỷ số SNR với các dạng nhiễu được xác định như sau:

Tc iuser P ibr B ibr P Tc ibh P No

Tb s P SNR

).

( ) ( / ) ( ).

(

).

(

+ +

+

No là tạp âm nhiệt, P(ibh): công suất thu được từ nhiễu băng hẹp, P(ibr): công suất thu được từ nhiễu băng rộng, B(ibr): băng thông của tín hiệu băng rộng

Do tín hiệu gây nhiễu từ vệ tinh N-SAT-HEO có độ rộng là 25MHz >> 5 MHz là băng thông của 3G nên loại hình nhiễu băng rộng là loại hình chính được

đề cập trong các phần tiếp theo luận văn

3.2 ảnh hưởng của nhiễu tới mạng 3G

3.2.1 Tổng quan

Ta biết rằng, chất lượng dịch vụ của một hệ thống thông tin số nói chung, hệ thống di động nói chung được đánh giá bằng tỷ lệ lỗi bít-BER- bit error rate Với một phương thức điều chế nhất định, BER lại phụ thuộc vào Eb/No, trong đó Eb

là năng lượng của bit, No là mật độ phổ công suất tạp âm No là mật độ phổ công suất của tổng thể của nhiễu tạp âm nhiệt N của bản thân thiết bị cộng với nhiễu I

do các nguồn bên ngoài khác gây ra

Với Rb là tốc độ bít của luồng thông tin, B là độ rộng bộ lọc tín hiệu

Đối với việc tính toán quỹ đường truyền (link budget) của một hệ thống thông tin vô tuyến, phương trình thông dụng để tính mức C/N tại đầu thu là:

độ rộng băng thông, tính theo dBHz