Việc sử dụng tỷ số Eb/N0 thấp hơn để đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng thoại khiến cho hệ thống CDMA có dung lượng lớn hơn, cần ít công suất truyền tải hơn so với các hệ thống băng h
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA
Giới thiệu chung 14
I.1.1 Lộ trình tiến tới 3G của các công nghệ di động
Xu hướng công nghệ di động hiện nay đòi hỏi phải đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng, dung lượng, tính tiện lợi, giá cả và sự đa dạng dịch vụ Công nghệ 2G đã bộc lộ những hạn chế không thể đáp ứng các yêu cầu này, dẫn đến sự phát triển cần thiết của công nghệ 3G Các nhà khai thác dịch vụ di động không ngừng tìm kiếm lộ trình phát triển cho công nghệ tiếp theo, và lộ trình tiến tới 3G cần dựa trên công nghệ hiện tại để đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Hình I.1 Lộ trình phát triển từ 2G tới 3G.
Trong quá trình phát triển công nghệ không dây thế hệ tiếp theo (3G), hai hướng phát triển chính đã được ITU T công nhận, bao gồm CDMA 2000 và W-CDMA.
Châu Âu thì đi theo hướng: GSM > GPRS > EDGE > W-CDMA. Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng:
IS-95A > IS - 95B > CDMA 2000 mà bước đầu là CDMA 2000 1x.
Riêng Nhật Bản thì họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướng W-CDMA (NTT Docomo, J Phone) và CDMA 2000 (KDDI) -
CDMA dẫn đầu trong các triển khai 3G với 81 nhà khai thác tại 40 quốc gia trên 6 lục địa Trong năm 2004, đã có thêm 22 mạng CDMA 2000 được ra mắt Hiện nay, có 47 nhà sản xuất cung cấp hơn 520 mẫu điện thoại di động CDMA.
Từ tháng 3/2003 đến tháng 3/2004, số thuê bao CDMA đã tăng kỷ lục 43 triệu (31%), vượt qua mức tăng trưởng 21% của toàn ngành di động CDMA 2000 củng cố vị thế thống trị trong thế hệ 3G với thêm 13 triệu người dùng, nâng tổng số lên 86,2 triệu, trong đó có 6,6 triệu người sử dụng CDMA 2000 1xEV DO Hơn 43% tổng số thuê bao CDMA toàn cầu đã chuyển sang công nghệ CDMA 2000, với khu vực Châu Á - Thái Bình Dương dẫn đầu với 84,4 triệu người dùng.
Sự tăng trưởng hàng năm đạt 44% được thúc đẩy bởi sự phát triển mạnh mẽ tại Trung Quốc và những tiến bộ đáng kể ở Ấn Độ Trung Quốc hiện có hơn 20 triệu người dùng CDMA, trong khi Ấn Độ đang triển khai rộng rãi công nghệ CDMA.
2000, tổng số thuê bao CDMA đã tăng 745% trong năm 2003 và đạt đến 9,3 triệu người vào tháng 3/2004.
Châu Á tiếp tục dẫn đầu thị trường CDMA 2000 với 19 mạng và 52 triệu người dùng tại 12 quốc gia Tại khu vực này, 62% thuê bao CDMA đang sử dụng công nghệ CDMA 2000, trong khi tại Hàn Quốc và Nhật Bản, con số này vượt quá 80% Nhu cầu cho các dịch vụ 1xEV-DO tiên tiến đang gia tăng nhanh chóng, với hơn 2 triệu thuê bao mới được thêm vào trong quý vừa qua.
Hình I.2 Dự báo sự phát triển thuê bao các công nghệ.
I.1.3 Ưu điểm của công nghệ CDMA
I.1.3.1 Tăng dung lượng hệ thống
Với băng tần 10MHz, W-CDMA chỉ hỗ trợ 2 sóng mang mỗi sector (mỗi sóng mang 5MHz), trong khi CDMA 2000 có thể sử dụng tới 7 sóng mang mỗi sector (mỗi sóng mang 1,25MHz) Điều này cho phép W-CDMA đạt tối đa 124 TCH/sector với 62 kênh lưu lượng TCH/sóng mang, trong khi CDMA 2000 1x có khả năng lên tới 266 TCH/sector.
Bảng I.1 So sánh dung lượng thoại giữa các công nghệ.
TDMA GSM GSM WCDMA CDMA 2000 1x
Bảng I.1 cho thấy rằng dung lượng thoại của CDMA 2000 1x vượt trội hơn so với các công nghệ TDMA, GSM và WCDMA, cho phép số lượng người sử dụng đồng thời lớn nhất.
CDMA 2000 1x và EV-DO có dung lượng dữ liệu vượt trội so với các công nghệ GSM như GPRS, EDGE và W-CDMA Nhờ vào khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, CDMA 2000 cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu với mức giá cạnh tranh.
Bảng I.2 So sánh tốc độ dữ liệu giữa các công nghệ.
Lưu lượng trung bình (Kbps) 256 768 1800 2450 11060
Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 3/9 1/1 1/1 1/1
I.1.3.2.Tái sử dụng tần số
Nguyên tắc cơ bản của thông tin di động số chia ô là tái sử dụng tần số nhiều lần trong các khu vực địa lý nhất định Phương pháp này giúp tăng cường dung lượng mạng đáng kể so với cách truyền thống, trong đó chỉ sử dụng một trạm phát sóng để phủ sóng một vùng lớn.
Công nghệ GSM yêu cầu sử dụng lại tần số một cách hiệu quả để tối ưu hóa dung lượng và chất lượng mạng Băng tần được chia thành các tần số song công, sau đó phân nhóm cho các vùng trạm BTS Các nhóm tần số có thể chia sẻ cho các vùng lân cận mà không gây giao thoa, miễn là khoảng cách giữa các BTS đủ lớn Các mẫu sử dụng lại tần số trong GSM bao gồm 3/9, 4/12, và 7/21, trong đó mẫu 4/12 chia tần số thành 12 nhóm với 4 BTS, mỗi BTS có 3 ô, phù hợp với vùng có mật độ trung bình và ít nhà cao tầng Với 40 tần số, mỗi nhà khai thác có thể tối đa hóa hiệu suất qua 4 ô với 4 tần số và 8 ô còn lại với 3 tần số, nhưng điều này cũng giới hạn dung lượng của mạng GSM.
Hình I.3 Mẫu sử dụng lại tần số 4/12.
Bảng phân bổ tần số cho mẫu 4/12 với 40 tần số.
Công nghệ CDMA cho phép tất cả các thuê bao sử dụng cùng một tần số sóng mang, được áp dụng cho mọi ô và sector trong mạng Nhờ vậy, dung lượng mạng CDMA vượt trội hơn hẳn so với AMPS và các công nghệ khác, vì số lượng người dùng trong một sector của hệ thống CDMA tương đương với tổng số người dùng trên toàn bộ một kênh CDMA 1,25MHz.
Các hệ thống số chia ô đều áp dụng mã sửa lỗi để đảm bảo chất lượng truyền tải Trong khi đó, các hệ thống điều chế băng hẹp thường lựa chọn các phương thức đơn giản hơn nhằm tiết kiệm băng tần Để duy trì chất lượng âm thanh tốt, nhà khai thác cần đạt được tỷ số E b /N0 cao (năng lượng bít so với công suất nhiễu), dẫn đến việc giới hạn số lượng người sử dụng trên hệ thống, từ đó làm giảm dung lượng tổng thể.
CDMA áp dụng công nghệ mã hóa sửa lỗi tiên tiến, cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả với tỷ số E b /N0 thấp hơn Điều này không chỉ giúp đạt tiêu chuẩn chất lượng thoại mà còn làm tăng dung lượng hệ thống, đồng thời giảm yêu cầu về công suất truyền tải so với các hệ thống băng hẹp.
1.3.4 Mã hoá tốc độ biến đổi 20
Sự phát hiện ra tính linh động của thoại đã đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng dung lượng hệ thống CDMA Công nghệ IS 95 CDMA đã tận dụng tính linh động này thông qua việc sử dụng các bộ mã hoá với tốc độ biến đổi.
Trong một cuộc gọi điện thoại, người nói chỉ chiếm khoảng 35% thời gian, trong khi 65% còn lại là thời gian lắng nghe hoặc im lặng Bộ mã hoá có tốc độ biến đổi hoạt động hiệu quả nhất khi có sự hiện diện của tiếng nói; khi không có tiếng nói, tốc độ mã hoá sẽ giảm xuống 4, 2 hoặc 1Kbps để tiết kiệm băng thông Do đó, bộ mã hoá chỉ sử dụng dung lượng kênh khi thực sự cần thiết, giúp giảm mức nhiễu giao thoa từ nhiều người dùng và tối ưu hoá dung lượng hệ thống.
Một yếu tố then chốt để nâng cao dung lượng của hệ thống CDMA là điều khiển công suất Mục tiêu chính là đảm bảo tất cả người sử dụng nhận được mức công suất đồng đều từ trạm gốc, đồng thời giữ mức công suất ở mức tối thiểu để duy trì chất lượng cuộc gọi cao Công suất vượt quá nhu cầu không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn giảm dung lượng hệ thống Do đó, việc điều khiển công suất một cách chính xác sẽ góp phần tăng cường dung lượng của hệ thống CDMA.
Trong hệ thống CDMA, trạm gốc liên lạc với trạm di động (MS) để điều chỉnh công suất truyền dẫn Trạm di động chỉ phát sóng với công suất đủ để duy trì kết nối, dẫn đến công suất truyền dẫn trung bình của CDMA thấp hơn nhiều so với hệ thống tương tự Ô liên tục theo dõi tín hiệu từ máy di động, so sánh với mức công suất thiết kế và quyết định điều chỉnh công suất truyền dẫn của từng trạm di động Quá trình này diễn ra mỗi 1,25ms, tương đương 800 lần mỗi giây, với khả năng điều chỉnh công suất lên xuống theo 84 mức 1dB Phương thức này đảm bảo rằng tất cả các trạm di động, dù ở gần hay xa, đều nhận được mức công suất tương đương.
1.3.6 Nâng cao chất lượng cuộc gọi 21
Hệ thống điện thoại di động sử dụng công nghệ CDMA mang lại âm thanh chất lượng cao và giảm thiểu tình trạng rớt cuộc gọi so với các công nghệ khác Các đặc tính vượt trội trong hệ thống CDMA chính là yếu tố quyết định cho khả năng này.
• Các phương pháp sửa lỗi tiên tiến làm tăng khả năng chính xác cho các khung nhận được.
• Các bộ mã hoá tinh vi cho phép mã hoá tốc độ cao và giảm tạp âm nền.
CDMA tận dụng nhiều loại phân tập để cải thiện chất lượng thoại, bao gồm phân tập tần số giúp bảo vệ khỏi fađing chọn lọc tần số, phân tập không gian với việc sử dụng hai anten nhận, phân tập đường truyền qua bộ thu Rake để khắc phục hiện tượng "nhiễu giao thoa" và nâng cao chất lượng âm thanh, cùng với phân tập thời gian thông qua cài xen và mã hoá.
Implementing soft handover enhances call quality by providing a "make before break" connection This process of soft handover between sectors within the same cell also offers similar benefits.
Điều khiển công suất chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo tất cả các thiết bị di động hoạt động với mức công suất gần tối ưu, từ đó giúp nâng cao chất lượng thoại.
I.1.3.7 Đơn giản hoá thiết kế
Tất cả thuê bao sử dụng chung một sóng mang CDMA, chia sẻ phổ tần số, giúp tăng dung lượng hệ thống vượt trội so với AMPS và các công nghệ khác Hệ số sử dụng lại tần số bằng 1 đơn giản hóa thiết kế hệ thống, làm cho việc lập kế hoạch tần số trở nên dễ dàng hơn so với các hệ thống tương tự và TDMA Quan trọng hơn, việc điều chỉnh tần số để mở rộng không còn cần thiết; nhà khai thác có thể thêm một cell hoặc kênh mới mà không phải thiết lập lại toàn bộ tần số của hệ thống.
1.3 8 Nâng cao tính bảo mật thông tin 23 1.3.9.Cải thiện vùng phủ sóng 23
Thông tin trong CDMA được bảo mật cao, việc xâm nhập trái phép vào tín hiệu CDMA rất khó khăn do các khung thông tin đã được số hóa trải rộng trên nền phổ rộng Trong tương lai, CDMA sẽ áp dụng các kế hoạch mã hóa số mới, nâng cao mức độ bảo mật và an toàn.
Cell CDMA có vùng phủ sóng rộng lớn hơn so với các cell khác nhờ vào thiết bị thu có độ nhạy cao hơn Điều này cho phép giảm số lượng cell CDMA cần thiết để phủ sóng một khu vực địa lý tương đương, với khả năng giảm tới 50% so với hệ thống GSM, tùy thuộc vào nhu cầu tải và mức độ nhiễu giao thoa.
I.1.3.10 Tăng thời gian sử dụng pin
Máy mobile CDMA chỉ truyền công suất bằng một phần nhỏ so với các máy tương tự và TDMA nhờ vào việc điều khiển công suất chính xác và các đặc tính hệ thống Điều này giúp tăng thời gian sử dụng pin cho người dùng.
I.1.3.11 Cung cấp dải thông theo yêu cầu
Một kênh CDMA băng rộng cung cấp tài nguyên chung cho tất cả các thiết bị di động trong hệ thống, cho phép sử dụng linh hoạt cho nhiều ứng dụng như thoại, dữ liệu, fax và các ứng dụng khác Khi một thiết bị không sử dụng băng thông, phần dải thông đó có thể được chuyển giao cho thiết bị khác, tạo ra khả năng tối ưu hóa tài nguyên Điều này giúp CDMA linh hoạt hơn và hỗ trợ dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Hơn nữa, các thiết bị di động hoàn toàn độc lập khi sử dụng "bandwidth pool", cho phép các đặc trưng khác nhau cùng tồn tại trên một kênh CDMA.
I.1.3.1 Nâng cấp mạng dễ dàng
Việc nâng cấp mạng GSM (2G) lên GPRS (2,5G) chỉ cần lắp đặt một số thiết bị và nâng cấp phần mềm Tuy nhiên, để phát triển lên thế hệ thứ 3 như EDGE hay W-CDMA, cần lắp đặt hệ thống trạm BTS mới cho EDGE hoặc triển khai toàn bộ mạng CDMA cho W-CDMA, hoạt động song song với mạng cũ.
Việc nâng cấp từ IS-95 lên CDMA 2000 1x tương đối đơn giản, chỉ cần lắp thêm một số thiết bị như PDSN và Card BTS, cùng với việc nâng cấp phần mềm Tương tự, khi phát triển mạng lên CDMA 2000 1xEV, chỉ cần lắp thêm các card thu phát mới và nâng cấp phần mềm hệ thống So với việc phát triển từ GSM lên W-CDMA, quá trình nâng cấp từ IS-95 hay CDMA 2000 1xEV dễ dàng hơn nhiều.
2000 1x lên CDMA 2000 1xEV đòi hỏi lắp thêm ít thiết bị hơn, đơn giản hơn mà vẫn tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng đã triển khai.
Lý thuyết CDMA, được phát triển từ những năm 1950 và ứng dụng trong thông tin quân sự từ thập niên 1960, đã trở thành công nghệ thương mại vào những năm 1980 nhờ sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin Phương pháp này đã được áp dụng trong các hệ thống GPS và Omni TRACS, đồng thời được Qualcomm đề xuất trong hệ thống tổ ong vào năm 1990.
Khác với công nghệ TDMA và FDMA, CDMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng thời gian và tần số thông qua mã PN với tương quan chéo thấp Người dùng truyền tín hiệu bằng cách trải phổ tín hiệu đã mã hóa, trong khi đầu thu tạo ra dãy giả ngẫu nhiên để khôi phục tín hiệu gốc Quá trình xử lý CDMA mang lại độ lợi xử lý cao và đặc điểm băng rộng, giúp tăng hiệu suất phổ và dung lượng mềm cho hệ thống Tuy nhiên, để đạt được những lợi ích này, cần áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm nhằm tránh tín hiệu của người này làm nhiễu thông tin của người khác.
I.2.2.1 Nguyên lý trải phổ CDMA
Các hệ thống số được thiết kế để tận dụng dung lượng một cách tối đa Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon được mô tả trong (2.1),
Hình I.4 So sánh các công nghệ đa truy nhập khác nhau. rõ ràng dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền.
Trong đó B là băng thông (Hz), C là dung lượng kênh (bit/s), S là công suất tín hiệu và N là công suất tạp âm.
Đối với một tỉ số S/N cụ thể, dung lượng truyền tải sẽ tăng lên khi băng thông sử dụng để truyền tín hiệu được mở rộng Công nghệ CDMA thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi, và thường được biết đến với tên gọi Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ (SSMA) Tỷ số giữa độ rộng băng tần truyền thực và độ rộng băng tần của thông tin cần truyền được gọi là độ lợi xử lý (G P) hay hệ số trải phổ.
GP = Bt / Bi hoặc G P = B/R (2.2) Trong đó B t :là độ rộng băng tần truyền thực tế
Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin
B : là độ rộng băng tần RF
R : là tốc độ thông tin
Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số E b /I0 được thể hiện qua công thức p b b E I G, trong đó E b đại diện cho năng lượng trên một bit và I 0 là mật độ phổ năng lượng tạp âm Tỷ số này là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất truyền thông.
Với yêu cầu E b /I0 xác định, độ lợi xử lý cao dẫn đến tỷ số S/N yêu cầu thấp hơn Hệ thống CDMA đầu tiên, IS 95, sử dụng băng thông truyền dẫn 1.25MHz, trong khi hệ thống WCDMA có băng thông truyền khoảng 5MHz.
Trong công nghệ CDMA, mỗi người dùng được cấp một chuỗi mã duy nhất (mã trải phổ) để biến tín hiệu thông tin thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền tải Bên nhận có khả năng nhận diện chuỗi mã của người dùng và thực hiện giải mã để phục hồi tín hiệu gốc.
I.2.2.2 Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ
Trải phổ là một hệ thống thông tin truyền tín hiệu thông qua việc sử dụng mã có băng thông rộng hơn tín hiệu dữ liệu Các mã này hoạt động độc lập với tín hiệu dữ liệu, phân loại theo tốc độ truyền dữ liệu thành các loại như DS (trải trực tiếp), FH (dịch tần), TH (dịch thời gian) và loại hybrid Trong hệ thống DS, tất cả người dùng chia sẻ băng tần và phát tín hiệu đồng thời, với máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên để tách tín hiệu mong muốn từ nhiễu Ngược lại, hệ thống FH và TH gán mã giả ngẫu nhiên cho từng người dùng, đảm bảo không có máy phát nào sử dụng cùng tần số hay khe thời gian, từ đó tránh xung đột trong quá trình truyền tín hiệu.
TH là kiểu hệ thống tránh xung đột còn DS là kiểu hệ thống lấy trung bình
Hệ thống CDMA chỉ sử dụng DS nên sau đây ta chủ yếu xét đến kỹ thuật DS.
Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản trong hệ thống DS-CDMA, với dữ liệu người sử dụng được điều chế bằng BPSK có tốc độ R Hoạt động trải phổ thực hiện bằng cách nhân mỗi bit dữ liệu với một chuỗi n bit mã, gọi là các chip; trong trường hợp này, n=8, dẫn đến hệ số trải phổ là 8, tức là điều chế trải phổ BPSK Kết quả là tốc độ dữ liệu tăng lên 8 lần, đạt 8xR, và tạo ra mã trải phổ có dạng ngẫu nhiên Việc này giúp mở rộng phổ tín hiệu dữ liệu người sử dụng, cho phép tín hiệu băng rộng được truyền qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu.
Hình I- 5 Quá trình trải phổ và giải trải phổ
I.2.2.3 Thủ tục thu/phát tín hiệu
• Tín hiệu dữ liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng mang fo và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128)
• Tín hiệu đã được điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25MHz sau đó phát xạ qua anten.