Mô hình hóa các bộ chuyển mạch và truy cập TDMA và CDMA

Mô hình hóa các bộ chuyển mạch và truy cập TDMA và CDMA

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI 18:

Mô hình hóa các bộ chuyển mạch và truy cập

TDMA và CDMA

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Linh Giang

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội 11/2012

Mục lục

Lời nói đầu 3

1 Tổng quan về thông tin di động 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Cấu trúc chung của mô hình hệ thống thông tin di động 5

2 Phương pháp đa truy nhập TDMA 9

2.1 Nguyên lý 9

2.2 Các phương pháp TDMA 10

2.3 Quá trình tạo cụm 12

2.4 Thu cụm 13

2.5 Đồng bộ 14

2.6 Ưu nhược điểm của TDMA so với FDMA 14

3 Phương pháp đa truy nhập CDMA 15

3.1 Khái niệm 15

3.2 Ưu điểm, nhược điểm 15

3.3 Nguyên lý và kỹ thuật trải phổ 17

3.3.1 Nguyên lý chung 17

3.3.2 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS/SS 21

3.3.3 Trải phổ tần số (FH/SS) 31

3.3.4 Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS) 34

3.4 Ứng dụng 35

4 Chương trình mô phỏng 38

4.1 Kịch bản mô phỏng 38

4.2 Chương trình mô phỏng 39

5 Kết luận 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

Lời nói đầu

Công nghệ viễn thông đã và đang có những bước phảt triển đột phá Cùng với sự phát triển của các ngành thông tin khác như: Điện tử, tin học, quang học công nghệ thông tin… công nghệ thông tin đã mang lại cho con người nhiều lợi Ích về nhiều lĩnh vực trong cuộc sống xã hội nh: nhu cầu trao đổi thông tin, giáo dục, y học, thông tin quảng bá kinh tế… Thông tin di động là một trong những mạng thông tin mang lại nhiều lợi Ích kinh tế, phù hợp với nhu cầu ngày càng tăng của toàn xã hội Ngay từ đầu khi ra đời hệ thống thông tin di động đã được hưởng ứng một cách tích cực với nhu cầu ngày càng tăng Tốc độ tăng trưởng mật độ thuê bao tăng nhanh cùng với yêu cầu về dịch vụ đòi hỏi thời gian thực của hệ thống rất cao Do vậy, hệ thống hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) gặp rất nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này các hãng Viên thông lớn trên thế giới trong đó có qualcomm đà đề xuất phương án đưa kĩ thuật phân chia theo mã (CDMA) với kĩ thuật trải phổ vào ứng dụng trong thông tin di động Sau một thời gian nghiên cứu và thử nghiệm người ta thấy rằng CDMA có rất nhiều ưu điểm so với FDMA và TDMA,với ưu điểm không còn nghi ngờ của nó

đã thực sự được các nhà khoa học, các nhà khai thác công nghệ công nhận vị trí hàng đầu trong tương lai, và hiện tại đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực giành cho con người, và đã có hàng triệu thuê bao của công nghệ CDMA tá ra rất hài lòng về chất lượng của nó.Phương thức đa truy nhập phân chia theo mã CDMA có khả năng đáp ứng tương đối dễ dàng nhiều loại hình dịch vụ và cung cấp dung lượng cao hơn rất nhiều so với các phương thức đa truy nhập (FDMA) và (TDMA) Hơn nưa là kĩ thuật trải phổ với ưu điểm là khả năng chông nhiễu và tính bao mật cao, đó chính là kĩ thuật đặc thù mà chỉ có CDMA mới có Công nghệ CDMA đã và đang từng bước được đưa vào nghiên cứu và áp dụng trong mạng viễn thông Việt Nam

Các công nghệ ày có nhiều vấn đề phức tạp, để hiểu sâu hơn cần phải có nhiều thời gian và tài liệu thực tế Do thời gian có hạn nên phần này chúng em chỉ tập trung tìm hiểu về hai công nghệ CDMA và TDMA và những ứng dụng trong thực

tế

1 Tổng quan về thông tin di động

1.1 Lịch sử phát triển

Điện thoại di động ra đời từ những năm 1920, khi đó điện thoại di động được sử dụng như là các phương tiện thông tin giữa các đơn vị cảnh sát ở Mỹ 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 năm trước đây, dịch vụ điện thoại

di động mãi đến đầu những năm 1960 mới suất hiện ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của hệ thống điều vận Các hệ thông điện thoại di động đầu tiên này Ýt tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay Cuối cùng, các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy 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 như là:

 Phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp

 Xảy ra nhiễu trong quá trình truyền

 Không đáp ứng được các dịch vụ đối với khách hàng

 Không đảm bảo tính mật của các cuộc gọi

 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau

Để khăc phục điều này, người ta chuyển sang sử dụng kỹ thuật đa truy nhập mới Hệ thống thông tin di động số sử duụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM Ban đầu hệ thống này được gọi là “Nhóm đặc trách động” theo tên gọi của nhóm được CEPT – Hội nghị các cơ quan quản lý viễn thông và bưu chính Châu

Âu cử ra để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau đó để tiện cho việc thương mại hoá GSM được gọi là “Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM được phát triển từ năm 1982khi các nước bắc ÂU gửi đề nghị đến CEPT để qui định một dịch vụ viễn thông chung châu ÂU ở băng tần 900 Mhz Lúc đầu vào những năm 1982-1985 người ta bàn luận về việc nên xây dựng một hệ thống số hay tương tự Năm 1985

hệ thống số được quyết định Bước tiếp theo là chọn lùa giữa giải pháp băng rộng hay băng hẹp Năm 1986 một cuộc kiểm tra ngoài hiện trường đã được tổ chức tại Paris, các hãng đã đua tài với giải pháp của mình Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lùa chọn đồng thời 13 nước đã đăng ký vào biên bản ghi nhớ thực hiện các quy định, nh vậy đã mở ra một thị trường di động số có tiềm năng lớn Tất cả các hãng khai thác ký MoU hứa sẽ có một hệ thống GSM vận

hành vào 1/7/1991 Một số nước đã công bố kết quả phủ sóng các vùng rộng lớn ngay từ đầu, trong khi đó một số nước khác sẽ bắt đầu phục vụ ở bên trong và xung quanh thủ đô ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào

từ năm 1993, hiện nay đang được công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả ở

Mỹ hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề về dung lượng đã phát sinh ở các thị trường di động chính nh: New york, Los Angeles… Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thông số: chuyển tới hệ thống TDMA được liên hiệp công nghiệp viễn thông –TIA ký hiệu là IS-54 Cuối những năm 1980 mọi việc trở lên rõ ràng

là IS-54đã gây thất vọng.Việc khảo sát khách hàng đã cho thấy chất lượng của AMPS tốt hơn Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA AT&T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS -136, còn được gọi là amps sè (D-AMPS) Nhưng không giống nh IS - 54, GSM đã đạt được các thành công Có lẽ sự thành công này ở chỗ các nhà phát triển ra hệ thống GSM đã dám thực hiện một hi sinh lớn là để tìm kiếm các thị trường ở Châu Âu

và Châu á họ không thực hiện tương thích giao diện vô tuyến giữa GSM và AMPS Nh vậy các hãng Ericsson và Nokia trở thành các hãng dẫn đầu ở cơ sở hạ tầng vô tuyến số và bỏ lại các hãng Motorola và Lucent

Tình trạng trên đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu ở mỹ tìm ra một phương án thông tin di động số mới Để tìm kiếm thông tin di động số mới người

ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Công nghệ này

sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự Được thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đó được gọi là “thông tin Qualcom”

đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Lúc đầu công nghệ này được đón nhận một cách dè dặt do quan niệm tuyền thông về vô tuyến là mỗi cuộc thoại đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS-95 Sau đây chúng

ta đi vào chi tiết từng phương pháp một

1.2 Cấu trúc chung của mô hình hệ thống thông tin di động

Một hệ thống thông tin di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, chúng có thể

là các phần tử riêng rẽ hay đặt cùng với các phấn tử lôgic khác Tuy nhiên các phần tử này phải tương tác với nhau để kết hợp hoạt động Để tương tác các bản tin phải được phát đi trên các giao diện giữa hai phần tử Nếu hai bộ phận chức năng tách biệt và nếu giao diện được chuẩn hoá thì nhà cung cấp dịch vụ có thể

mua sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau Tuy nhiên vẫn chưa đảm bảo hoạt động tốt vì tiêu chuẩn liên kết này có thể không bao hàm được tất cả các khía cạnh khai thác Phần này sẽ trình bày các bộ phận chức năng và các giao diện đã được chuẩn hoá giữa các bộ phận này Các phần tử chính cuả mô hình như sau:

Hình 1: Mô hình hệ thống thông tin di động

 Trạm di động MS: MS (Mobile Station)là thiết bị duy nhất mà người sử

dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống MS có thể là thiết bị đặt trong ô tô hay thiết bị sách tay hoặc thiết bị cầm tay Loại thiết bị nhỏ cầm tay sẽ là thiết bị trạm di động phổ biến nhất Ngoài việc chứa các chức năng

vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện cho người sử dụng (như loa, dàn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số thiết bị khác (máy tính cá nhân, Fax…) Hiện nay người ta đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động

 Trạm thu phát gốc BTS: Một trạm BTS (Base Tranceiver 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 thêm 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 tiếng đặc thù riêng cho hệ thống thông tin di động được tiến hành, ở đây cũng được thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp chuyển số liệu TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng cũng có thể đặt nó xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa BSC và MSC

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC: BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ

quản lý tất cả các giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ xa của BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là lệnh Ên 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 nhá có khả năng tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu của nó là quản lý kênh ở giao diện

vô tuyếnvà chuyển giao Mét BSC trung bình có thể quản lý tới vài trăm chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này BTS cũng có thể kết hợp chung với BSC vào một trạm gốc

 Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động MSC: Ở hệ thống thông tin

di dộng chức năng chuyển mạch chính đựơc thực hiện bởi MSC (Mobile Serveices Switching Center), nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến các người sử dụng mạng thông tin di dộng Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác nó giao diện với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ giao diện 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 mạng thông tin di động đòi hỏi cổng thích ứng IWF(IWF: Inter Working Funtion- Các chức năng tương tác) Để kết nối MSC với một mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của mạng thông tin

di động với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác(IWF) IWF bao gồm một thiết bị để thích ứng giao thức và truyền dẫn Nó cho phép kết nối với các mạng: PSPDN (Packet Switched Piblic Data Network- Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói) hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network- Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), nó cũng tồn tại khi các mạng khác chỉ đơn thuần là PSTN (Public Switched Telephone Network- Mạng điện thoại chuyển

mạch công cộng ) hay ISDN (Integrated Services Digital network- mạng số

liên kết đa dịch vụ) IWF có thể được thực hiện trong cùng chức năng MSC

hay có thể ở thiết bị riêng ở trường hợp 2 giao tếip giữa MSC và IWF được

mở

 Bộ ghi dịch và thường trú HLR(Home Location Register): Ngoài MSc

mạng thông tin di động bao gồm cả các cở sở dữ liệu Các thông tín liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu giữ ở HLR (Home Location Register) không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao Thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch và có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao Một chức năng con của HLRlà nhận dạng trung tâm nhận thực AUC, nhiệm vụ của trung tâm này là quản

lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép

 Bộ định vị tạm trú VLC: VLR (Visitor Location Register) là cơ sở dữ liệu

thứ 2 trong mạng thông tin di động Nó được nối với một hay nhiều MSC

và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số lượng thuê bao của các thuê bao đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu

về vị trí của thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Các chức năng VLR thường được liên kết với các chức năng MSC

 Khai thác và bảo dưỡng mạng: Hệ thống khai thác OS ( Operration

system) thực hiện khai thác bảo dưỡng tập chung trong mạng thông tin di động Khai thác là các hoạt động cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải của hệ thống, mức độ chặn, số lượng chuyển giao (hand over) giữa hai ô…, nhờ vậy nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng của dịch vụ mà họ cung cấp cho khách hàng và kịp thời

sử lý các sự cố khai thác cũng bao gồm sự thay đổi cấu hình để giảm những vẫn đề xuất thiện ở hiện thời

 Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC: Quản lý thuê bao gồm

các hoạt động quản lý đăng ký thuê bao Nhiệm vụ đầu tiên là nhập và xoá thuê bao khỏi mạng Đăng ký thuê bao cũng có thể rất phức tạp, bao gồm nhiều dịch vụ và các tính năng bổ xung Nhà khai thác phải truy nhập được tất cả các thông số nói trên Một nhiệm vụ quan trọng khác của khai thác là tính cước các cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi đến thuê bao Quản

ký thuê bao ở mạng thông tin di động chỉ liên quan đến HLR và một thiết bị

OS riêng chẳng hạn mạng nối HLR với các thiết bị giao tiếp người máy ở các trung tâm giao dịch với thuê bao Việc quản lý thuê bao được thực hiện thông qua một khoá nhận dạng bí mật duy nhất cho từng thuê bao AUC(AUthentication Center) quản lý các thông tin nhận thực và mã liên quan đến từng cá nhân thuê bao dùa trên khoá bí mật này Khoá này cũng được đặt trong HLR hay MSC hay độc lập với cả hai Khoá này cũng được

lưu giữ vĩnh cửu và bí mật trong bộ nhớ MS ở GSM bộ nhớ này có dạng SIM-CARD có thể rót ra và cắm lại được

 Quản lý thiết bị EIR: Quản lý thiêt bị di động được thực hiện bởi bộ đăng

ký nhận dạng thiết bị EIR ( Equyment Identity Regiter) EIR lưu giữ tất cả các dữ liệu liên quan đến trạm di động MS EIR được nối đến MSC thông qua đường báo hiệu để kiểm tra sự được phép của thiết bị Một thiết bị không được phép sẽ bi cấm

 Các mạng ngoài: Mạng thông tin này bao gồm các mạng điện thoại

chuyển mạch công cộng PSTN(Public Switched Telephone Network), mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN(Intergated Serviece Digital Network) mạng di động công cộng mặt đất PLMN(public Land Mobile Network) và mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSPDN(Packet Switched Public Data Network)

2 Phương pháp đa truy nhập TDMA

2.1 Nguyên lý

Như là hàm vị trí thời gian của các năng lượng sóng mang Máy thu lần lượt các sóng mang cùng tần số theo thời gian và phân tách chúng bằng cách mở cổng lần lượt theo thời gian thậm chí cả khi các sóng mang này chiếm cùng một băng tần số

Hình 2: Nguyên lý đa truy nhập phân chia theo thời gian Các máy phát đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian 𝑇𝐵 Sự truyền dẫn này được gọi là cụm

Sự phát đi một cụm được đưa vào trong một cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải theo cấu trúc này

Mỗi sóng mang thể hiện một cụm sẽ được chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến được mang bởi tần số sóng mang fi

Hình 3: Nguyên lý TDMA

Kí hiệu :

TSi: Khe thời gian dành cho người sử dụng i

TB: Thời gian của một cụm

TF: Thời gian của một khung

2.2 Các phương pháp TDMA

 TDMA/FDD (FDD: Frequency Division Duplexing) : sử dụng cặp tần số

song công cho TDMA được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số

 Đường lên (từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc

 Đường xuống (từ trạm gốc đến máy đầu cuối) là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) được phát đi từ trạm gốc cho các máy đầu cuối

Hình 4: Phương pháp TDMA/FDD

 TDMA/TDD (TDD: Time Division Multiplexing) : được sử dụng để phân bổ

tần số thông minh hơn

 Cả hai đường lên và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khoảng thời gian khác nhau

Hình 6: Quá trình tạo cụm ở một hệ thống vô tuyến TDMA

Sau đó cụm được đặt vào khe thời gian 𝑇𝐵 tương ứng ở bộ ghép khung TDMA Giữa các cụm có thể có các khoảng trống để tránh việc chồng lấn các cụm lên nhau khi đồng bộ không được tốt Đầu ra của bộ ghép khung TDMA ta được luồng ghép có tốc độ điều chế R đưa đến bộ điều chế.Tốc độ điều chế R điều chế cho sóng mang được xác định như sau:

R=𝑅𝑏(𝑇𝐹/𝑇𝐵) [bps]

Trong đó : 𝑇𝐵 là thời gian của cụm

𝑇𝐹 là thời gian của một khung Giá trị R lớn khi thời gian của cụm nhỏ và vì thế thời gian chiếm (𝑇𝐵/𝑇𝐹) cho một kênh để truyền dẫn thấp.Chẳng hạn nếu 𝑅𝑏=10 kbit/s và (𝑇𝐹/𝑇𝐵)=10, điều chế xảy ra ở tốc độ 100 kbit/s Lưu ý rằng R là tổng dung lượng của mạng đo bằng bps Từ khảo sát ở trên có thể thấy rằng vì sao dạng truy nhập này luôn luôn liên

quan đến truyền dẫn số: nó dễ dàng lưu trữ các bit trong thời gian một khung và nhanh chóng giải phóng bộ nhớ này trong khoảng thời gian một cụm Không dễ dàng thực hiện dạng xử lý này cho các thông tin tương tự

Mỗi cụm ngoài thông tin lưu lượng còn chứa thông tin bổ sung như:

rõ ràng pha máy thu có thể xác định được các bit đi sau từ duy nhất

c Nhận dạng kênh (CI: Channel Identifier)

d Các thông tin nói trên có thể được đặt riêng rẽ và tập trung ở đầu cụm hay có thể kết hợp với nhau hay phân bố ở nhiều chỗ trong một

số khung (trường hợp các từ đồng bộ khung phân bố)

 Báo hiệu và điều khiển

 Kiểm tra đường truyền

Trong một số hệ thống các thông tin bổ sung trên có thể được đặt ở các kênh dành riêng

ở dạng một luồng số liên tục,thông tin được lưu giữ ở bộ đệm trong khoảng thời gian của khung đang xét và được đọc ra từ bộ nhớ đệm này ở tốc độ 𝑅𝑏 trong khoảng thời gian của khung sau

Điều quan trọng để xác định được nội dung của cụm nói trên là trạm thu phải có khả năng phát hiện được từ duy nhất ở khởi đầu của mỗi cụm (hoặc mỗi khung)

Bộ phát hiện từ duy nhất xác định mối tương quan giữa các chuỗi bit ở đầu ra của

bộ phát hiện bit của máy thu,chuỗi này có cùng độ dài như từ duy nhất và là mẫu của từ duy nhất được lưu giữ ở bộ nhớ của bộ tương quan.Chỉ có các chuỗi thu tạo

ra các đỉnh tương quan lớn hơn một ngưỡng thì được giữ lại như là các từ duy nhất

Hình 7: Quá trình xử lý ở máy thu của máy vô tuyến đầu cuối 3

2.5 Đồng bộ

 Với TDMA vấn đề đồng bộ rất quan trọng

 Đồng bộ cho phép xác định vị trí của cụm cần lấy ra ở máy thu hay cần phát đi ở máy phát tương ứng Nếu các máy đầu cuối là máy di động thì đồng bộ còn phải xét đến cả vị trí máy này so với trạm gốc

 Về vấn đề đồng bộ chúng ta sẽ xét ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến

cụ thể

2.6 Ưu nhược điểm của TDMA so với FDMA

 Ưu điểm :

 So với FDMA,TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn

 Tuy nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảm bảo dung lượng của mạng.Vì thế TDMA thường được sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao

 Nhược điểm :

 TDMA đòi hỏi đồng bộ tốt

 Thiết bị phức tạp hơn khi cần dung lượng truyền dẫn cao

 Ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xảy ra hiện tượng hồi âm

3 Phương pháp đa truy nhập CDMA

3.1 Khái niệm

CDMA (viết đầy đủ là Code Division Multiple Access) nghĩa là đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã Khác với GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia sẻ thời gian các kênh ấy cho người sử dụng Trong khi

đó thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã ngẫu nhiên khác nhau, sau

đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã ngẫu nhiên tương ứng Áp dụng lý thuyết truyền thông trải phổ, CDMA đưa ra hàng loạt các ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt được

3.2 Ưu điểm, nhược điểm

a Ưu điểm

Hệ thống thông tin di động CDMA là hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải phổ Trong hệ thống, toàn bộ băng tần được sử dụng chúng cho mọi trạm di động Các ưu điểm nổi bật của hệ thống này là: Hiệu quả sử dụng tần số, hoạt động tốt trong môi trường có nhiễu mạnh, khả năng chống pha đinh đa đường, chuyển vùng mềm, khả năng đảm bảo thông tin

 Hiệu quả sử dụng tần số: Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải

phổ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA thì cho phép mọi trạm di động

sử dụng chung toàn bộ phổ tần số Tín hiệu được điều chế sóng mạng và trải phổ tại phía phát đồng thời giải điều chế sóng mang và giải trải phổ tại phía thu Trong hệ thống thì mỗi trạm di động chỉ khác nhau mã trải phổ Theo nguyên lý đó, hệ số tái sử dụng tần số trong hệ thống CDMA thì luôn đạt giá trị cao nhất là 1 Toàn bộ phổ tần số được sử dụng cho mọi tế bào và mọi trạm di động Đây là một trong những ưu điểm lớn của hệ thống thông tin di động tế bào số CDMA so với hệ thống khác

 Khả năng chống nhiễu của hệ thống CDMA: Khả năng chống nhiễu của

hệ thống CDMA là rất tốt Đối với nhiễu đường truyền băng hẹp thì khi thu trải phổ chúng không ảnh hưởng lớn tới chất lượng thông tin Bởi vì công suất nhiễu băng hẹp đã bị trải phổ đo đó phổ thu được là rất nhỏ so với phổ tín hiệu mong muốn cho nên ta coi như không đáng kể Đối với hệ thống là băng rộng thì mức độ ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống tuỳ thuộc vào từng

loại nhiễu băng rộng khác nhau Nhưng các nguồn nhiễu tác động đến thông tin của hệ thống thường có phổ thấp hơn nhiều so với tín hiệu mong muốn Do đó sự ảnh hưởng của nó trong hệ thống cũng không đáng kể Để tăng hiệu quả hoạt động, tăng dung lượng và chất lượng của hệ thống, giảm tối thiểu nhiễu cho các tế bào khác nhau ở hai ô lân cận nhau như :sử dụng anten định hướng, giám sát chu kỳ hoạt động tích cực của tín hiệu thoại, điều khiển công suất

 Khả năng chống pha đinh đa đường: Fading đa đường do các ảnh hưởng

của kênh truyền có thể gây ra các tổn thất rất lớn đến chế độ của tín hiệu có ích Để chống lại fading đa đường ta có thể sử dụng các mã sửa sai hay bộ thu đa đường thích ứng Rate khi đó tín hiệu sẽ được bù đắp do tổn thất fading đa đường

+ Mã sửa sai gồm: Mã tích chập: được sử dụng rất hiệu quả trong việc chống lại các lỗi kênh truyền ngẫu nhiên bởi khi mã hoá các bít dữ liệu được tráo trật tự truyền Mã Reed – Solomon: là một bộ mã hoá khối truyền khối tuyến tính Có thể sử dụng kết hợp hai loại mã này để tăng hiệu quả chống nhiễu

+ Bộ thu đa đường thích ứng Rake: để thu phân tập tín hiệu nhiễu đường (đã trình bày ở phần trên)

 Khả năng bảo mật thông tin: Trong hệ thống thông tin CDMA sử dụng kỹ

thuật trải phổ nhờ mã trải phổ cho nên trên đường truyền dẫn thì phổ tín hiệu thường chìm trong nhiễu Có nghĩa là phổ của thông tin hữu ích nằm trong phổ của nhiễu Do đó, những trạm di động khác khi không có mã trải phổ hợp lý thi không có khả năng nhận biết và thu được thông tin hưu ích

đó Nhờ đó mà CDMA có khả năng bảo mật thông tin, chống nghe trộm và chống truy nhập trái phép tốt

 Chuyển vùng trong hệ thống thông tin CDMA: rất linh hoạt thực hiện cả

hai quá trình chuyển vùng cứng và chuyển vùng mềm khi nã du chuyển qua

bờ tế bào hay sector mà vẫn đảm bảo chất lượng thông tin không xảy ra gián đoạn hay mất thông tin đó là một ưu điểm nổi bật của kỹ thuật CDMA

b Nhược điểm:

 Hiệu ứng xa là hiệu ứng mà tín hiệu thu được: của máy di động phía xa

của trạm gốc bị tín hiệu thu được của máy di động ở gần trạm gốc có công suất lớn chèn Ðp cho nên ảnh hưởng tới thông tin đối với thông tin di động

ở xa Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng phương pháp điều

khiển công suất sao cho tín hiệu thu được tại trạm gốc của tất cả các trạm di động trong vùng phuc vụ là như nhau Quá trình này đồng thời tiết kiệm được nguồn pin cho máy di động, làm tăng thời gian đàm thoại của máy di động

 Hiệu ứng tự nhiễn gây bởi dãy mã không trực giao Tuy nhiên không có

dãy mã nào là hoàn toàn trực giao cả Các thành phần không trực giao trong tín hiệu của những người sử dụng khác nhau sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tín hiệu đều mong muốn

3.3 Nguyên lý và kỹ thuật trải phổ

3.3.1 Nguyên lý chung

a Khái niệm về kĩ thuật trải phổ

Kỹ thuật trái phổ được sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông tin trong quân đội Mỹ vào những năm 1940, nhằm che dấu những thông tin và nhiễu

cố ý Gần đây kỹ thuật trải phổ đã được ứng dụng trong lĩnh vực dân sự trong hệ thống thông tin viễn thông vô tuyến Ý tưởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin di động là dựa vào định lý Shannon Định lí này được phát biểu như sau : Với một kênh thông tin có tạp âm trắng cộng tính (AWGN) thì tương quan giữa dung lượng, cộng suất và độ rộng dải tần cho bởi công thức sau:

C = B.log(1+S/N) (1)

Trong đó:

C là dung lượng của kênh truyền

B là độ rộng dải tần của tín hiệu

S/N là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu

Như vậy với cùng một dung lượng C ta có thể truyền tín hiệu qua kênh với

tỉ số tín hiệu trên tạp âm rất thấp nếu tín hiệu đó có phổ rất rộng Điểm này có thể thực hiện được nhờ kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền về phía phát và nén phổ thu được ở phía thu Hệ thống thông tin dùng kỹ thuật trải phổ cho phép làm việc tốt ở các điều kiện truyền thông tin trong môi trường có nhiễu mạnh , thậm chí có thể che giấu được tín hiêu chìm trong nền nhiễu Nhờ đó không những tín hiệu được truyền chính xác mà còn làm đối phương rất khó có thể nhận ra được tin tức mình đang truyền đi Hơn nữa, nhờ việc sử dung các mã trải phổ ( mã giả ngẫu nhiên ) trong các kỹ thuật trải phổ nên đối phương không thể giải mã được thông tin.Hệ thống thông tin trải phổ là hệ thông thông tin có băng tần phát lớn hơn rất

nhiêu so với băng tần tín hiệu gốc Băng tần phát của hệ thống được trải phổ độc lập với tín hiệu Tuy vậy, không phải hệ thống thông tin nào có dải rộng đều là hệ thông thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được gọi là trải phổ nếu thoả mãn

ba yếu tố sau:

 Tín hiệu sau khi trải phổ có độ rộng băng tần lớn hơn gấp nhiều lần so với tín hiệu gốc của nó

 Sự trải phộ thường được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ gọi là mã trải phổ

Mã trải phổ nay thường độc lập với tín hiệu mà nó có tốc độ lớn hơn nhiều với tốc độ dữ liệu

 Tại phía thu, giải trải phổ được thực hiện bởi sự tương quan với tín hiệu thu với bản sao các mã trải phổ đã được sử dụng phía phát

Chú ý : Một hệ thống thông tin sử dụng các kỹ thuật điều chế và giải điều chế truyền thông như điều pha, điều tần, điều chế xung mã … Tuy có độ rộng băng truyền dẫn lớn hơn độ rộng băng truyền của tín hiệu dữ liêu nhưng không phải là hệ thống trải phổ vì lý do là trong các hệ thống thông thin không thoả mãn yếu tố 2 và yếu tố 3 của định nghĩa hệ thống thông tin trải phổ

Mô hình khái quát của hệ thống thông tin trải phổ được biểu diễn trong hình sau:

Hình 8 : Mô hình khái quát hệ thống thông tin trải phổ Những thành tựu trong thông tin và truyền thông được đưa trên nền tảng ý tưởng phát càng nhiều thông tin trên một băng tần hẹp càng tốt Các hệ thống thông tin này đươc gọi là hệ thống thông tin băng hẹp (Sn) Trong các hệ thống thông tin trải phổ hình 8), hoạt động của máy thu và máy phát đươc chia làm 2 bước :

ra phía phát là Sn

 Tại phía thu:

+ Bước 1: Là quá trình được nén phổ ký hiệu là () Thực chất là quá trình nén phổ là sự tương quan của tín hiệu thu được So với bản sao mã trải phổ được đồng bộ Sau khi trải phổ tín hiệu băng rộng Sw được tín hiệu dạng gốc Sn của tín hiệu băng hẹp

+ Bước 2: Tín hiệu băng hẹp sau khi qua giải điều chế, tín hiệu băng hẹp được khôi phục trở lại dang dữ liệu ban đầu b(t) tín hiệu trải phổ áp dụng rất hiệu quả trong hệ thống thông tin dải rộng do có các ưu điểm lớn: chống nhiễu cải thiện chất lượng thông tin Tăng dung lượng, bảo mật

b Phân loại kỹ thuật trải phổ

Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) đối với hệ thống tương tự và tỷ số lỗi bít( BER) đối với hệ thống thông tin số, chúng ta có thể thực hiện được thông qua kỹ thuật trải phổ Do các đặc điểm riêng biệt mà người ta có phổ rộng

W(Hz) và thời gian tồn tại T thì ta có số phân lượng phổ là 2WT.để tăng số phân lượng phổ ta có thể tăng W hoặc tăng thời gian T nhờ kỹ thuật nhảy thời gian(Time hopping)

Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế người ta phân ra các loại sau:

+Trải phổ trực tiếp(DS-Direct Sequense): Đây là phương pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật trải phổ và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin di động, vệ tinh, rada, Tín hiệu bị trải phổ rộng ra nhờ cộng modul 2 của tín hiệu gốc với mã trải phổ PN

+Trải phổ tần số ( FH – Frenquency Hopping) : thực chất là sự dịch chuyển tần

số được chọn theo mã thành phần cơ bản của hệ thống là tạo bộ mã PN và bộ tổng hợp tần số

+Trải phổ nhảy thời gian (TH- Time Hopping): nguyên lý là bản tin dữ liệu có tốc độ dòng số Rb được phân bố khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn thời gian cần thiết sử dụng truyền bản tin đó bằng các hệ thống thông thường Trong khoảng thời gian này dòng số liệu được gửi đi theo từng loại phù hợp với sự điều khiển của mã PN Ngoài ba loại trên còn có các kỹ thuật trải phổ khác là

sự kết hợp giữa chóng như: DS/FH, FH/ TH DS/FH/TH…

3.3.2 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS/SS

3.3.2.1 Nguyên tắc triệt nhiễu trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp

Tại bộ điều chế tín hiệu cần phát đi sau điều chế là S(t) Tín hiệu này có tốc

độ là R(pbs) Tốc độ trải phổ PN (C(t))có tốc độ lớn hơn nhiều tốc độ giữ liệu cần truyền đi Giả sử bề rộng phổ của tín hiệu dữ liệu S(t) là X(w) và bề rộng của tín hiệu trải phổ là G(w) Tín hiệu nhân đại số của tín hiệu dữ liệu và trải phổ biến đổi thao thời gian S (t).C(t) tương đương với việc nhân chập độ rông phổ tần số của hai phổ tần số tín hiệu dữ liệu và mã phổ là X(w) và G(w):

S (t).C(t) X(w) G(w) (2) Nếu tín hiệu dữ liệu là tín hiệu dữ liệu băng hẹp so với mã trải phổ thì phổ của tín hiệu dữ liệu là nhỏ so với phổ cuả mã trải phổ.Do đó phổ của tín hiệu tích S(t).C(t) có độ rộng phổ gần nh­ độ rộng mã trải phổ Tại bộ điều chế,tín hiệu nhận được nhân với bản sao mã rải phổ (mã trải phổ tại máy thu).Giả sủ nhận tín hiệu

là lý tưởng và tín hiệu truyền tới máy thu không có nhiễu Phổ tín hiệu nén lại Nừu có bất kỳ một tín hiệu không mong muốn nào ( nhiễu băng hẹp) thì tại máy thu do nhân vơí mã trải phổ đã được đồng bộ với máy phát thi phổ của nhiễu sẽ được trải rộng ra giống như trải phổ tín hiệu dữ liệu phát Như vậy tín hiệu thu mong muốn được nén phổ lại sau đó được loc để thu tín hiệu cần thiết Trong đó phổ của tín hiệu không mong muốn bị trải rộng phổ ra Hay nói cách khác mật độ phổ công suất tín hiệu sau khi nén được tăng lên còn mật độ phổ công suất của các tín hiệu không mong muốn bị làm giảm đi

Hình 9: Sơ đồ tổng quan Như vậy, qua quá trình nén phổ nếu so sánh tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào máy thu và sau bộ nén phổ ta thấy tỉ số tín hiêụ trên tạp âm (S/N) ở đầu ra tăng lên

rõ rệt Tóm lại bản chất và khả năng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ có thể trình bày nắn gọn lại như được ,minh hoạ ở hình (10)

Hình 10: Trải phổ nén trong hệ thống trải phổ DS Tại máy phát việc nhân tín hiệu dữ liệu với mã trải phổ chính và việc trải phổ cuả tín hiệu dữ liệu trên nền phổ của mã trải phổ (mã trải phổ có độ rộng rất lớn so với tín hiệu dữ liệu) Tại máy thu tín hiệu thu đựo nén phổ nhờ việc nhân tín hiệu thu được với bản sao mã trải phổ phía thu đã được đồng bộ.Sau khi nhân với bản sao

mã trải phổ đó thì phổ tín hiậu đã được nén lại Sau đó nhờ quá trình lọc mà tín

hiệu mong muốn được tách ra Như vậy, tín hiệu mong muốn được phục hồi sau khi nhân với mã trải phổ lần thứ hai tại máy thu.Trong khi đó các tín hiệu không maong muốn khác (nhiễu) chỉ được nhân với mã trải phổ có một lần nên phổ bị trải rộng ra Do đó, mật độ công suất bị giảm sút Chính vì vậy, hệ thống thông tin dùng kỹ thuật trải phổ thì hoạt động tốt hơn trong môi trường có nhiễu mạng

3.3.2.2 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp kiểu BPSK (DS-BPSK)

Dạng cơ bản nhất trong hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp là giải thuật điều chế trải phổ dịch pha nhị phân (DS - BPSK) Thường gọi tắt là kỹ thuật trải phổ BSPK Kỹ thuật trải phổ có sơ đồ sau:

Hình 11: Sơ đồ trải phổ trực tiếp BPSK(DS - BPSK) Tín hiệu đầu ra Sm(t) tại phía đầu ra của bộ điều chế pha thì có công suất là p, tần

số góc của tín hiệu là w 0 được điều chế pha bởi tín hiệu đầu vào m(t) có dịch pha

là Tín hiệu Sm(t) có độ rộng băng thông truyền dẫn tối thiểu là R/n với r là tốc độ của bít dữ liệu m(t), n là số bít thông tin trong một ký hiệu

(3) Tín hiệu Sm(t) ở phía đầu ra của bộ điều chế pha tiếp tục được trải phổ bằng việc nhân:

)