Công nghệ w cdma giải pháp ho mạng di động thế hệ 3 tại việt nam

Để thực hiện đ-ợc điều này: - Trong hệ thống thông tin FDMA và TDMA không làm đ-ợc do hệ thống này, mỗi cuộc gọi đều đ-ợc xác định thực hiện trên khe thời gian hay tần số và việc tái sử

Mục lục

Phần 1 3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba W-CDMA 4

Ch-ơng I 5

Tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào(CMCS) 5

1.1 Giới thiệu chung về CMCS: 5

1.1.1 Khái niệm tế bào: 5

1.1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động: 6

1.2 Lịch sử phát triển của các thế hệ hệ thống thông tin di động tế bào 8

1.2.1 Thế hệ thứ nhất 9

1.2.2 Thế hệ thứ hai 9

1.2.3 Thế hệ thứ ba 10

1.3 Các ph-ơng pháp đa truy nhập 11

1.3.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access)-Đa truy nhập theo tần số 12

1.3.2 TDMA (Time Division Multiple Access)-Đa truy nhập theo thời gian 12

1.3.3 CDMA (Code Division Multiple Access)- Đa truy nhập theo mã 13

1.3.4 So sánh các ph-ơng pháp đa truy nhập 14

Ch-ơng II 18

Kỹ thuật trải phổ và công nghệ CDMA 18

2.1 Kỹ thuật trải phổ 18

2.2 Công nghệ CDMA 22

2.2.1 Khái niệm CDMA 22

2.2.2 Các đặc tính của CDMA 23

2.2.3 ng dụng lý thuyết trải phổ vào hệ thống CDMA (Đa truy nhập trải phổ ứ SSMA (CDMA)) 31

2.3 Hệ thống thông tin di động thứ hai N-CDMA và hệ thống thông tin di động thứ ba W-CDMA 37

2.3.1.Các tiêu chuẩn cho W-CDMA 37

2.3.2 CDMA băng hẹp 38

2.3.3 CDMA băng rộng 39

Ch-ơng III 44

W-CDMA Giao diện vô tuyến- kỹ thuật vô tuyến 44

3.1 Giao diện vô tuyến 44

3.1.1 Nguyên tắc phân lớp giao thức W-CDMA 45

3.1.2 Các kênh truyền tải và sắp xếp chúng lên các kênh vật lý 46

3.1.3 Cấu trúc kênh vật lý 51

3.1.4 Cấu trúc lớp vật lý trong W-CDMA 61

3.2 Kỹ thuật vô tuyến 74

3.2.1 Vấn đề điều khiển công suất 74

3.2.2 Vấn đề chuyển vùng 78

3.2.3 Máy thu RAKE 80

Phần 2 83

Những đề xuất triển khai W-CDMA tại Việt Nam 83

Ch-ơng IV 84

Cơ sở hạ tầng mạng thông tin di động số ở n-ớc ta 84

Ch-ơng V 91

Những đề xuất, kiến nghị triển khai W-CDMA tại Việt Nam 91

5.1.Cơ sở triển khai thông tin di động thế hệ thứ 3 tại Việt Nam 91

5.1.1.Những cơ sở lý luận 91

5.1.2.Những cơ sở thực tiễn 91

5.2 Vấn đề liên kết các hệ thống 92

5.3 Những xu h-ớng triển khai khác nhau về W-CDMA 93

Lời kết 102

Các thuật ngữ 104

Tài liệu tham khảo 106

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng các dịch vụ viễn thông ở Việt Nam đang tăng nhanh, trong đó dịch vụ thông tin di động là một trong các dịch vụ có tốc độ phát triển cao nhất Cũng nh- nhiều n-ớc phát triển trên thế giới, việc phát triển các mạng thông tin di động sang thế hệ 3 là một xu h-ớng tất yếu Trong đó, công nghệ W-CDMA là một trong những lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp triển khai mạng thông tin di động thế hệ 3 Với những -u điểm nổi bật về các tính năng và dịch vụ trên góc nhìn của ng-ời tiêu dùng, mạng di động thế hệ 3 cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong t-ơng lai gần Vì vậy, các nhà khai thác ở Việt Nam đã bắt tay vào nghiên cứu để dần dần chuyển các mạng thế hệ 2 và 2.5 sang thế hệ 3 Trong phạm vi nhỏ của đồ án này, em chỉ đi vào nghiên cứu tập trung vào công nghệ W-CDMA và khả năng phát triển của mạng thông tin di động thế hệ 3 tại Việt Nam

Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Cúc , ng-ời thầy đã tận tình giúp đỡ và h-ớng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án này

Phần 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba W-CDMA

Ch-ơng I Tổng quan về hệ thống thông tin di động

tế bào(CMCS)

1.1 Giới thiệu chung về CMCS:

1.1.1 Khái niệm tế bào:

Thông tin di động đ-ợc hiểu là sự trao đổi thông tin giữa hai hoặc nhiều ng-ời sử dụng (user) trong đó có ít nhất thiết bị của một ng-ời không đ-ợc đặt tại một vị trí cố định mà có thể di chuyển

Trong hệ thống tế bào (còn gọi là thông tin tổ ong), thông tin vô tuyến xảy ra giữa một trạm di động và một trạm cố định - trạm đ-ợc coi là trạm gốc vô tuyến Thông th-ờng, trong hệ thống tế bào, không có sự truyền thông tin trực tiếp giữa hai trạm di động

Khu vực địa lý mà ở đó trạm di động có thể trao đổi tín hiệu vô tuyến với trạm gốc vô tuyến đ-ợc gọi là tế bào Một hệ thống tế bào bao gồm nhiều tế bào, mỗi tế bào có một trạm gốc vô tuyến

Hình 1.1 Hệ thống thông tin di động tế bào

H-ớng truyền dẫn từ một trạm di động (MS) tới 1 trạm gốc vô tuyến (BTS)

đ-ợc chỉ định là tuyến lên và h-ớng truyền dẫn từ 1 BTS tới 1 MS đ-ợc chỉ định là tuyến xuống

1.1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động:

Khác với hệ thống thông tin cố định, các thiết bị đầu cuối của hệ thống thông tin di động truy nhập vào mạng thoại thông qua giao diện vô tuyến Do vậy thuê bao chỉ truy cập đ-ợc vào mạng khi nằm trong vùng phủ sóng của hệ thống Vùng phục vụ của hệ thống thông tin di động tế bào đ-ợc chia thành các vùng nhỏ gọi là các tế bào, mỗi tế bào có một trạm gốc quản lý và điều khiển để đảm bảo vẫn duy trì đ-ợc cuộc gọi khi khi thuê bao di chuyển giữa các tế bào

OSS

AUC

VLR EIR

Hệ thống điện thoại tế bào gồm :

* MSC : Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động

* EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị

* AUC: Trung tâm nhận thực

* OSS : Hệ thống khai thác và hỗ trợ

* ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ

* PSPDN : Mạng chuyển mạch công cộng theo gói

* CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng

* PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

* PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng

Trong đó:

MS gồm bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển

BTS gồm các bộ thu/phát RF để kết nối MS với MSC, anten, bộ điều khiển,

đầu cuối số liệu

BSC làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTS và chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU

MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào tổng đài của mạng PSTN

MSC bao gồm:

- Bộ điều khiển

- Bộ kết nối cuộc gọi

- Thiết bị ngoại vi

- Cung cấp các chức năng thu nhập số liệu c-ớc với cuộc gọi đã hoàn thành

MS, BTS, MSC đ-ợc liên kết với nhau thông qua các đ-ờng kết nối thoại và

số liệu Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát (kênh có thể là RF hoặc cũng có thể là CDMA hoặc TDMA); cặp kênh này có thể thay đổi khi MS di chuyển qua lại giữa các tế bào (chuyển vùng)

Bộ phận điều khiển của MSC sẽ điều khiển sắp đặt, quản lý hoạt động của toàn bộ hệ thống

MSC kết nối để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau, các thuê bao di động và cố định, và trao đổi thông tin báo hiệu đa đ-ờng qua đ-ờng

số liệu giữa MSC và BS (Để liên lạc đ-ợc với thuê bao của mạng điện thoại cố định cần phải có giao diện giữa MCS và PSTN )

Việc trao đổi thông tin giữa BTS và MSC có thể thực hiện bằng đ-ờng truyền vô tuyến cố định (microwave link) hoặc cáp

HLR chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu 1 cách th-ờng xuyên kể từ khi

MS bắt đầu nhập mạng

VLR chính là HLR l-u động, nó chỉ làm nhiệm vụ l-u giữ số liệu tạm thời khi MS l-u động

AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR

EIR có chức năng cho phép hoặc không cho phép MS vào mạng

1.2 Lịch sử phát triển của các thế hệ hệ thống thông tin di động tế bào

2 thế hệ và đang tiến tới thế hệ thứ 3

Hệ thống thông tin di động đã trải qua

Các thế hệ đó là:

- Thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ t-ơng tự

- Thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ số hiện hành

- Thế hệ thứ ba đ-ợc thiết kế cho thông tin đa ph-ơng tiện

1981: NMT 450 đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng ( Rập và Thụy Điển) ả

1983: AMOBILE PHONES (Chicago) đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng

1985: System C450 đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng tại Đức; hệ thống TACS (dựa trên AMOBILE PHONES ) đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng tại Anh

1.2.2 Thế hệ thứ hai

Là thế hệ ra đời đứng tr-ớc sự lựa chọn kỹ thuật t-ơng tự hoặc số Các tổ chức tiêu chuẩn trên thế giới đã chọn kỹ thuật số Hệ thống này phát triển rộng khắp thế giới

Thế hệ này với khả năng truyền thoại theo đ-ờng vô tuyến đã đẩy số l-ợng

điện thoại di động v-ợt quá số l-ợng điện thoại có dây và sự thâm nhập của điện thoại di động tại trên 70% các quốc gia trên toàn thế giới

Thế hệ này đ-ợc thiết kế cho các dịch vụ nh- thoại số và dữ liệu tốc độ thấp (các bản tin ngắn) Nó cũng cung cấp truyền gói ở tốc độ thấp tới trung bình là tối

đa Dịch vụ truyền gói bằng vô tuyến là một phần phụ của dịch vụ chuyển mạch GSM và các dịch vụ chuyển vùng, chuyển vùng quốc tế

Quá trình phát triển:

1982 : Nhóm đặc trách di động (GSM) ra đời ở châu Âu

1988 :Viện tiêu chuẩn châu Âu thành lập tại châu Âu

MSC-L2 đ-ợc đ-a ra giới thiệu tại Nhật (các kênh 12,5KHz)

1992: Hầu hết các nhà vận hành ở châu Âu đều đ-a mạng GSM vào khai thác th-ơng mại

1993: Hệ thống DSCS 1800 đầu tiên đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng tại Anh

1994: D-AMOBILE PHONES (IS-54) đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng Mỹ

1995: N-CDMA(IS-95) đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng Hồng Kông và Hàn Quốc 1995: DSCS 1900 (D-ASMOBILE PHONE tại băng tần1900 MHz, IS 136)

1.2.3 Thế hệ thứ ba

Các hệ thống thế hệ thứ 3 của t-ơng lai là sự phát triển nâng cấp đặc biệt từ các hệ thống thế hệ thứ 2 tập trung chủ yếu vào khía cạnh cung cấp dịch vụ cho ng-ời sử dụng Các hệ thống thế hệ thứ 3 sẽ cung cấp các dịch vụ có tốc độ truyền dẫn cao, truyền dẫn đa ph-ơng tiện và cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói hiệu quả hơn Hiệu quả sử dụng phổ tần truyền dẫn tốc độ cao đã thành hiện thực cùng với sự phát triển của kỹ thuật số ở cả thuật toán xử lý tín hiệu và kỹ thuật mạch tích hợp

Với thế hệ này, ngoài việc có thể tìm gọi, nhắn tin và đàm thoại thông th-ờng, còn có thể truy cập vào mạng Internet đọc báo chí, tra cứu tin tức, hình ảnh Do băng tần đ-ợc mở rộng, nó cung cấp dịch vụ điện thoại thấy hình, truyền hình

ảnh

Quá trình phát triển :

Chính do sự thành công to lớn trên phạm vi toàn thế giới của GSM, các nhà vận hành mạng châu Âu và các nhà sản xuất đã không chú ý đến một hệ thống mới (3G) cho đến tận giữa thập niên 90

Chỉ sau khi ITU đ-a ra định h-ớng về một hệ thống di động mới cần phát triển cho những năm đầu của thế kỷ 21, các hoạt động cụ thể đối với UMTS của ETSI mới đ-ợc đ-ợc thực thi năm 1995

Hệ thống 3G t-ơng lai sau đó đã đ-ợc ITU đặt tên là IMT-2000, hệ thống viễn thông quốc tế của thế kỷ 21 Thời hạn chót để các tổ chức tiêu chuẩn khu vực

đệ trình các dự thảo kỹ thuật của mình cho IMT-2000 đã đ-ợc ITU đặt ra là tháng 7 năm 1998

Đến tháng 1 nămg 1998, ETSI chọn hai kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến (từ 4

đề xuất khác nhau ) cho truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu đối với UMTS đó là UTRA FDD và UTRA TDD, chính là hai kỹ thuật dùng cho IMT-2000

Một loạt các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến mặt đất đ-ợc đề xuất với ITU vào tháng 1 năm 1998 Trong đó có một số đễ xuất về kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến theo mã theo băng rộng của ETSI, TTC/ARBI (Nhật), TTA (Hàn Quốc), ANSI T1(Mỹ) và TIA (Mỹ) mà có thể phân làm hai nhóm Một là nhóm đề xuất đòi hỏi các trạm gốc đồng bộ và đ-ợc xây dựng trên cơ sở của IS-95 2G và đề xuất còn lại không dựa trên cơ sở trạm gốc đồng bộ

Đến cuối năm 1998, cả hai đề tài đều đ-ợc tài trợ bởi các tổ chức tiêu chuẩn khu vực gọi là 3GPP và 3GPP2 Mục đích của cả 3GPP và 3GPP2 đều là kết hợp các

đề xuất cơ bản về CDMA băng rộng thành 1 đề xuất duy nhất Đây là hai tiêu chuẩn đ-ợc chấp nhận cho IMT2000

có hạn

Các yêu cầu đối với MAP:

- Giao thức phải điều khiển, chọn kênh để cung cấp nguồn tài nguyên khi ng-ời sử dụng truy cập cho phù hợp

- Giao thức thực hiện ấn định kênh hợp lý sử dụng hiệu quả

- Việc cung cấp tài nguyên đảm bảo mỗi ng-ời sử dụng đủ dung l-ợng

- Giao thức linh hoạt cho phép truyền đi nhiều loại tải nh- thoại, số liệu Các loại đa truy nhập ứng với hai loại tài nguyên là thời gian và tần số :

1.3.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access)-Đa truy nhập theo tần số

Nguyên tắc: Phổ tần cung cấp cho kênh thông tin đ-ợc chia thành 2N kênh tần kế tiếp, giữa chúng có khoảng tần bảo vệ Mỗi ng-ời sử dụng đ-ợc gán cho một kênh tần riêng N kênh kế tiếp dành cho h-ớng lên, N kênh dành cho h-ớng xuống

Hình 1.3 Ph-ơng pháp đa truy nhập theo tần số

Đặc điểm:

- Kênh tần số sử dụng trong thời gian liên lạc có thể thay đổi khi MS di chuyển từ một tế bào sang một tế bào bên cạnh (chuyển vùng)

- Nhiễu giao thoa do các kênh tần số kề nhau

- BTS có nhiều bộ thu phát riêng cho mỗi MS làm việc trên một kênh tần số riêng

1.3.2 TDMA (Time Division Multiple Access)- Đa truy nhập theo t hời gian

Hình 1.4 Ph-ơng pháp đa truy nhập theo thời gian

Nguyên tắc: Phổ tần cung cấp chia thành các kênh tần, mỗi kênh tần đ-ợc chia N khe thời gian, mỗi kênh ứng với một khe thời gian nhất định trong 1 chu kỳ khung Mỗi kênh (khe thời gian) đ-ợc ấn định cho ng-ời sử dụng khác nhau Tin tức

là tín hiệu số tổ chức dạng gói, gói có bit địa chỉ đầu cuối, số liệu, bit đồng bộ

Đặc điểm:

- Tín hiệu truyền đều là tín hiệu số

- Liên lạc song công, mỗi h-ớng ở các dải tần khác nhau

- Việc đồng bộ, trễ rất phức tạp

1.3.3 CDMA (Code Division Multiple Access)- Đa truy nhập theo mã

Nguyên tắc: Giao thức CDMA không chia sẻ phổ tần số hay thời gian mà nó phân chia bằng cách mỗi ng-ời sử dụng sẽ đ-ợc phân biệt với nhau bằng các mã khác nhau (mã trải phổ) Tín hiệu đ-ợc trải phổ trên băng tần rộng Để thu đ-ợc dữ liệu ban đầu, thì máy thu phải dùng mã trải phổ chính xác nh- khi tín hiệu đ-ợc xử

lý ở bên máy phát Nếu mã trải phổ ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã trải phổ t-ơng ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể thu và hiểu đ-ợc ở máy thu

Hình 1.5 Ph-ơng pháp đa truy nhập theo mã

Đặc điểm:

- Phổ tần trải rộng gấp nhiều lần phổ tín hiệu ban đầu

- Sử dụng mã giả ngẫu nhiên

- Có rất nhiều loại giao thức CDMA khác nhau : DS, FH

- Giảm nhiễu Fading đa đ-ờng

BTS Mã

1.3.4 So sánh các ph-ơng pháp đa truy nhập

Nhu cầu phát triển mạng là nhu cầu tất yếu, do vậy việc sử dụng hiệu quả tài nguyên là điều hết sức quan trọng, đặc biệt là phổ tần Đồng thời vấn đề nhiễu là yếu tố làm giảm dung l-ợng mạng Các ph-ơng pháp đa truy nhập trên từng b-ớc giải quyết vấn đề

Hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật TDMA sử dụng phổ tần hiệu quả hơn FDMA, do ở mỗi băng tần ng-ời ta chia thành nhiều khe thời gian hơn Do

đó dung l-ợng hệ thống tăng lên

Xuất phát từ thực tế cuộc đàm thoại của khách hàng, mỗi khách hàng chỉ nói trong 35-40% thời gian, còn lại là nghe ng-ời ta có thể tăng dung l-ợng hệ thống thông qua việc giám sát các kênh khác nhau và điều khiển, phân phối, xử lý việc kết nối cuộc gọi trên các kênh tại các thời điểm trống sao cho hiệu quả hơn Để thực hiện đ-ợc điều này:

- Trong hệ thống thông tin FDMA và TDMA không làm đ-ợc do hệ thống này, mỗi cuộc gọi đều đ-ợc xác định thực hiện trên khe thời gian hay tần số và việc tái sử dụng hai nguồn này cho ng-ời khác tại thời điểm kênh thời gian hay kênh tần

số đang im lặng là không thực hiện đ-ợc vì yêu cầu phải chuyển mạch nhanh chóng qua lại giữa những ng-ời sử dụng mà điều này quá phức tạp, không hiệu quả

- Trong hệ thống CDMA mặc dù dung l-ợng bị hạn chế bởi nhiễu đa truy nhập nh-ng việc áp dụng công nghệ làm tắt các kênh truyền thoại khi các kênh này

im lặng và công nghệ điều chỉnh công suất nhanh đã làm giảm đáng kể nhiễu đa truy nhập (thực tế 65%) Nhờ vậy dung l-ợng hệ thống tăng 2,5 lần trong một tế bào, và do đó dung l-ợng toàn mạng tăng

Vấn đề quản lý và tái sử dụng tần số là quan trọng đối với hệ thống FDMA

và TDMA Do việc tái sử dụng tần số ở các tế bào kề nhau gây ra nhiễu, vì vậy phải

có quy hoạch tần số khi thiết kế hệ thống Điều này khiến hệ thống kém linh hoạt

Đối với hệ thống CDMA, do các BTS đều sử dụng chung một băng tần nên không cần phải quy hoạch và ấn định tần số Khi nhu cầu gia tăng, việc thêm vào một vài cuộc gọi làm giảm chất l-ợng (gây ra lỗi bit cao hơn) của các MS đang hoạt

động, nh-ng không dẫn đến rớt cuộc gọi

Điều này giải quyết vấn đề thực tế là tại vùng đông dân c-, khi mà nhiều khách hàng cùng sử dụng sẽ dẫn đến hiện t-ợng nghẽn mạch trong mạng di động FDMA và TDMA

Hệ thống CDMA cho phép chuyển giao mềm và điều khiển công suất làm tế bào nhỏ dần đi dẫn đến chuyển thuê bao sang tế bào liền kề, đây là khả năng cân bằng tải hay dung l-ợng mềm của hệ thống khi số thuê bao cao quá mức cho phép

• Vấn đề chuyển giao (chuyển vùng):

Hệ thống luôn nhận tín hiệu phát từ MS khi MS di chuyển để so sánh kiểm tra với c-ờng độ tín hiệu của tế bào bên cạnh Khi tín hiệu đàm thoại yếu đi, nghĩa

là MS di chuyển vùng phủ sóng tế bào sẽ xét yêu cầu chuyển giao

Trong hệ thống FDMA và TDMA, hệ thống sẽ chuyển mạch sang kênh mới (tần số khác của tế bào lân cận ) khi cuộc gọi vẫn tiếp tục hình thức chuyển mạch “ cắt trớc khi nối”, quá trình này gọi là chuyển vùng cứng Hình thức này dẫn đến trễ, và lỗi trong thời gian chuyển vùng

Trong hệ thống CDMA, việc chuyển giao chỉ là sự gán đẩy mã PN khác cho ng-ời sử dụng mới mà độ rộng băng tần không thay đổi Hình thức thực hiện chuyển mạch là: “nối trớc khi cắt” làm cho ngời sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng Hình thức này gọi là chuyển vùng mềm

CDMA cũng có chuyển vùng cứng

• Vấn đề nhiễu:

Đối với FDMA, TDMA có hai loại nhiễu chủ yếu là: nhiễu giữa các kênh lân cận, và nhiễu do fading đa đ-ờng (multipath fading) gây ra Để giải quyết nhiễu giữa các kênh lân cận, ng-ời ta sử dụng biện pháp sử dụng bảo vệ các kênh, quy hoạch tần số

Thay vì để mặc nhiễu fading đa đ-ờng, hệ thống CDMA sử dụng máy thu RAKE, để thu tín hiệu của mỗi đ-ờng (có độ trễ cách nhau một chip) và sau đó tổng hợp tín hiệu của tất cả các đ-ờng lại để điều chế

Tuy nhiên, hệ thống CDMA gặp phải vấn đề là nhiễu tự thân và ảnh h-ởng gần xa

- Nhiễu tự thân là hiện t-ợng do hệ thống chỉ sử dụng băng tần duy nhất cho tất cả các thuê bao sử dụng mã trực giao khác nhau, và khi các dãy mã không trực giao tức giá trị của chúng khác 0, đây chính là nhiễu tự thân Nguyên nhân chính do trong hệ thống CDMA mỗi MS phát tín hiệu độc lập và khi đến trạm gốc không

đồng bộ, thời gian trễ ngẫu nhiên và tất nhiên giá trị hàm t-ơng quan tín hiệu thu

đ-ợc đến từ những MS khác nhau tới BS là không bằng 0 Để giảm nhiễu tới mức thấp nhất, những tín hiệu khác của hệ thống phải có đ-ợc sự t-ơng quan chéo thấp cho độ trễ thời gian của tín hiệu Mà sự t-ơng quan chéo thấp này đ-ợc quết định bởi việc tạo ra những dãy mã trải phổ trực giao, thực tế khó tạo ra dãy mã trải phổ trực giao hoàn hảo khi sử dụng trong hệ thống không đồng bộ Thành phần không trực giao với tín hiệu của MS là khác sẽ có trong tín hiệu giải điều chế của MS đang

sử dụng đ-ợc coi là nhiễu

- ở hệ thống FDMA, TDMA không có hiện t-ợng nhiễu gần xa do chúng sử dụng kênh tần số khác nhau nên công suất kênh ít ảnh h-ởng

Hệ thống CDMA sử dụng cùng băng tần nên khi có hai MS - một ở gần, một

ở xa - có cùng công suất phát nh- nhau thì tín hiệu thu đ-ợc tại BTS của MS ở gần

sẽ lớn hơn và gây nhiễu nặng cho MS ở xa Trong tr-ờng hợp này, nhiễu có công suất lớn hơn n lần tín hiệu của máy đang xét sẽ có ảnh h-ởng t-ơng đ-ơng với nhiễu tác động của n máy khác cùng công suất

Để giải quyết vấn đề này, hệ thống CDMA sử dụng biện pháp điều khiển công suất trong đó BTS điều khiển công suất phát của các máy di động sao cho công suất thu đ-ợc tại BTS của mọi MS có cùng mức

Có thể nói rằng hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật CDMA với tính linh hoạt cao trong quá trình phân bổ kênh và điều chỉnh dung l-ợng của từng tế bào đã

đem lại hiệu quả sử dụng phổ tần số cao và tăng dung l-ợng của toàn bộ hệ thống

Kết luận: Ch-ơng I em đã tập trung đề cập tới các vấn đề sau:

- Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động tế bào

- Lịch sử phát triển của các thế hệ thông tin di động

- Các ph-ơng pháp đa truy nhập đ-ợc sử dụng trong hệ thống thông tin di

động tế bào và so sánh các ph-ơng pháp đó

Ch-ơng II

Kỹ thuật trải phổ và công nghệ CDMA

2.1 Kỹ thuật trải phổ

Tần số vô tuyến đ-ợc coi là một tài nguyên thiên nhiên quan trọng của quốc

gia Việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài nguyên này ngày càng trở nên quan trọng hơn Bởi vì, phổ tần vô tuyến là hữu hạn, đối với mỗi một dịch vụ ta chỉ có thể sử dụng một dải tần số nhất định Tuy vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và dịch vụ thông tin tranh nhau chiếm đoạt từng phần phổ tần vô tuyến quý giá này Đặc biệt, nhu cầu về phổ tần vô tuyến càng tăng khi ra đời các hệ thống thoại tổ ong, các dịch

nó đặc biệt phát huy tác dụng khi kết hợp với kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA

Khác với các kỹ thuật truyền dẫn thông th-ờng, kỹ thuật trải phổ có hai

đặc điểm quan trọng :

a.Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin Băng tần truyền dẫn đ-ợc xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên, độc lập với thông tin đ-ợc gửi đi và có phổ rộng hơn nhiều so với băng tần tín hiệu dữ liệu Dãy mã trải phổ mã hoá tín hiệu thông tin Điều này làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng

ra trên bề mặt băng tần rất lớn, dẫn đến mật độ công suất thấp hơn

b Tín hiệu truyền dẫn đ-ợc xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên,

độc lập với thông tin đ-ợc gửi đi Do đó các máy thu khác máy thu chỉ định chỉ thấy tín hiệu này nh- nhiễu nền thông tin

Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bt với băng tần thông tin Bi đ-ợc gọi là tăng ích

do xử lý GP của hệ thống trải phổ

GP = Bt / BiMáy thu khôi phục lại thông tin ban đầu bằng việc t-ơng quan giữa tín hiệu thu

đ-ợc với bản sao của mã trải phổ đã sử dụng ở phía phát Nh- vậy máy thu chỉ có thể khôi phục tín hiệu thông tin khi nó biết dãy mã trải phổ đ-ợc sử dụng

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

1 Khả năng đa truy nhập:

Hình 2.1.Nguyên lý thông tin trải phổ

Nếu nhiều ng-ời truyền tín hiệu trải phổ cùng một thời điểm, máy thu vẫn có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi ng-ời sử dụng do mỗi ng-ời có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức t-ơng quan chéo đủ nhỏ Việc t-ơng quan giữa tín hiệu thu đ-ợc với một dãy mã trải phổ ứng với một ng-ời sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ của tín hiệu của ng-ời sử dụng đó co hẹp trong khi các tín hiệu của ng-ời sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn Do đó, trong băng tần

i S

S i

thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của ng-ời sử dụng đang quan tâm là lớn Nguyên tắc này minh họa trong hình 2-1 Hình (a) là tín hiệu đ-ợc trải phổ do các tín hiệu dữ liệu băng hẹp Hình (b) là tín hiệu do cả hai ng-ời sử dụng cùng truyền đi tại một tín hiệu tại một thời điểm, tại máy thu, chỉ có tín hiệu của ng-ời sử dụng 1 đ-ợc nén lại và dữ liệu ban đầu đ-ợc khôi phục

2 Khả năng chống nhiễu đa đ-ờng:

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đ-ờng khác nhau ngoài đ-ờng trực tiếp do các nguyên nhân phản xạ Các tín hiệu đa đ-ờng này có biên độ và pha khác nhau sẽ làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác Trong miền thời gian hiện t-ợng này làm tín hiệu bị giãn rộng

Đối với tín hiệu băng rộng, chính hiện t-ợng này tạo nên sự phân tập tần số một cách tự nhiên, có tác dụng chống fading chọn lọc

Tín hiệu trải phổ (s) chịu ảnh h-ởng của nhiễu băng hẹp (i) Tại máy thu, tín hiệu trải phổ đ-ợc nén trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện nh- một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn

a.Tín hiệu (S) bị ảnh h-ởng b.Sau khi nén phổ của nhiễu(i)

p

f

p

f

Hình 2.2 Minh hoạ khả năng chống nhiễu

5 Khả năng chống nhiễu phá:

Cơ sở lý luận của khả năng chống nhiễu phá t-ơng tự nh- khả năng chống nhiễu Chỉ khác là nhiễu phá do con ng-ời cố ý gây ra

6 Xác suất phát hiện thấp:

Vì mật độ công suất của tín hiệu thấp nên tín hiệu trải phổ khó có thể bị phát hiện Có hai kỹ thuật trải phổ cơ bản là trải phổ dãy trực tiếp (DS- Directed Sequence) và trải phổ nhảy tần (FH- Frequency Hopping)

DS: tín hiệu mang thông tin đ-ợc nhân trực tiếp với mã trải phổ tốc độ cao FH: sóng mang có tần số thay đổi tại mỗi thời điểm tín hiệu thông tin đ-ợc truyền đi tuỳ thuộc vào mã trải phổ

Khái niệm thông tin trải phổ: Thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin

để truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin thông qua điều chế tín hiệu gốc và mã trải phổ với độ rộng băng lớn hơn nhiều lần các tín hiệu số liệu thông tin gốc Mã trải phổ trong tr-ờng hợp này độc lập với tín hiệu số liệu thông tin

B-ớc 2: điều chế cấp 2, sử dụng kỹ thuật trải phổ ký hiệu () Kết quả là máy 

2.2.1 Khái niệm CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) là kế hoạch đa truy nhập cơ sở của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 và hiện đang đ-ợc đề nghị cho các hệ thống di động thế hệ thứ 3

CDMA là ph-ơng thức điều chế mã truy nhập dựa trên nền tảng của kỹ thuật trải phổ Do đó, nhiều ng-ời sử dụng có thể chiếm dụng cùng một lúc kênh vô tuyến

đồng thời Những ng-ời sử dụng phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc tr-ng không trùng với bất kỳ ai Kênh vô tuyến CDMA đ-ợc dùng lại ở mỗi tế bào trong toàn mạng và những kênh này phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ ngẫu nhiên

Nguyên lý hoạt động của hệ thống CDMA:

- Tín hiệu số liệu sau khi mã hoá, lặp, chèn có tốc độ 9,6Kbps, sau đó đ-ợc nhân với mã PN

- Tín hiệu đ-ợc điều chế (đ-ợc nhân với sóng mang fo) đi qua bộ lọc băng thông rộng 1,25MHz và đ-ợc bức xạ ra Anten

- Phía thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu đ-ợc từ anten đ-ợc đ-a đến

bộ t-ơng quan qua bộ lọc băng thông rộng 1,25MHz và có số liệu đ-ợc tách ra để tiếp tục đ-a qua bộ mã hoá và chèn để tái tạo tín hiệu cũ

2.2.2 Các đặc tính của CDMA

1 Tính đa dạng của phân tập:

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, tính đa đ-ờng tạo nên fading nhiều tia gây ra các ảnh h-ởng khác nhau đối với mỗi hệ thống Với hệ thống thông tin điều chế ph-ơng pháp CDMA, vấn để fading đa đ-ờng giảm đáng kể do ở phía thu các tín hiệu qua các đ-ờng khác nhau đ-ợc thu nhận một cách độc lập và tổ hợp, giải

điều chế tất cả các tín hiệu thu đ-ợc Tuy nhiên, hiện t-ợng này không thể loại trừ hoàn toàn do fading xảy ra một cách liên tục nên bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập đ-ợc

Để giải quyết vấn đề này mà không phải tăng công suất, khoảng cách tái sử dụng kênh, một hình thức đ-ợc sử dụng tốt nhất là phân tập Có 3 loại phân tập là:

Phân tập thời gian: sử dụng chèn mã tách lỗi và mã sửa sai

Phân tập tần số : fading th-ờng ảnh h-ởng tới băng tần báo hiệu (200-300 KHz) cần mở rộng khả năng báo hiệu 

Phân tập khoảng cách:

Thiết lập nhiều đ-ờng báo hiệu để kết nối với nhiều BS chuyển vùng mềm

Bộ thu đa đ-ờng thu nhận và tổ hợp tín hiệu phát

Đặt 2 anten thu cho BS

Hệ thống CDMA dễ dàng áp dụng cả 3 ph-ơng pháp phân tập trên

- Dải rộng phân tập theo đ-ờng truyền có thể đ-ợc cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của dãy trải phổ DS-CDMA và mức độ phân tập cao tạo nên hoạt động tốt trong môi tr-ờng

- Bộ điều khiển đo đ-ờng tách sóng PN nhờ sử dụng bộ t-ơng quan song song Máy di động sử dụng 3 bộ t-ơng quan, BS sử dụng 4 bộ t-ơng quan Máy thu

có bộ t-ơng quan song song gọi là máy quét, nó xác định tín hiệu thu theo mọi

đ-ờng và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu đ-ợc Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu nh-ng không có sự t-ơng quan giữa các đ-ờng thu Do đó, tổng tín hiệu thu đ-ợc có độ tin cậy cao vì khả năng có fading trong tất cả các tín hiệu thu là rất thấp

Nhiều bộ tách sóng t-ơng quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống có nhiều BS có thể thực hiện đ-ợc chuyển vùng mềm

2 Điều khiển công suất:

Trong thiết kế hệ thống thông tin di động, hai vấn đề khó giải quyết là Fading đa đ-ờng và nhiễu cùng tần số Hệ thống CDMA là băng rộng nên không chịu ảnh h-ởng nhiều của hai vấn đề trên Tuy nhiên có một vấn đề đặt ra là hiện t-ợng hiệu ứng gần xa trong thông tin di động CDMA

Các lệnh điều khiển công suất đến các MS

MS2

MS1P1

Bản chất của hiệu ứng gần - xa: qua thực nghiệm cho ta thấy hiệu ứng g - ần

xa không xảy ra nếu tín hiệu trên các kênh hoàn toàn trực giao

Để tối thiểu hoá vấn đề gần- xa, hệ thống CDMA phải điều khiển công suất Tuy nhiên ngoài lý do giải quyết vấn đề gần- xa, việc yêu cầu điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là:

- Duy trì chất l-ợng đủ tốt cho tất cả khách hàng

- Tăng dung l-ợng của hệ thống

- Giảm công suất trung bình, kéo dài tuổi thọ của acquy trong máy di động Mục tiêu chính của quá trình điều khiển công suất phát của máy di động trong hệ thống thông tin di động CDMA là làm cho mức tín hiệu từ của tất cả các máy trong cùng một tế bào tại trạm gốc đều có giá trị nh- nhau Nếu thực hiện đ-ợc nh- vậy thì mức tín hiệu thu tại trạm gốc đ-ợc tính bằng mức tín hiệu của một máy

di động nhân với tổng số máy di động có trong ô

Để điều khiển công suất phát của máy di động trong hệ thống CDMA tồn tại

ba kiểu:

• Điều khiển công suất mạch vòng hở trong đó chỉ có trạm di động tham gia

• Điều khiển công suất mạch vòng kín có cả trạm di động và trạm gốc đều tham gia

• Điều khiển công suất đ-ờng xuống trong đó có sự tham gia của trạm di động

và trạm gốc

3 Công suất phát thấp:

Để đánh giá ảnh h-ởng của tạp âm đến chất l-ợng thông tin ta sử dụng tham

số Eb/No (t-ơng ứng với tỷ số tín hiệu /nhiễu)

Việc giảm tỷ số này tới mức chấp nhận đ-ợc sẽ làm tăng dung l-ợng hệ thống đồng thời làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa, nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động Điều này sẽ dẫn đến giảm giá thành MS và cho phép nó hoạt động vùng rộng hơn với công suất thấp khi

so với hệ thống t-ơng tự hoặc TDMA có cùng công suất

Một tiến bộ lớn trong việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát trung bình Trong đa số tr-ờng hợp thì môi tr-ờng truyền dẫn là phù hợp với CDMA Trong hệ thống băng hẹp thông th-ờng, công suất phát cao luôn đ-ợc yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian Còn trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có

điều khiển công suất và công suất phát sẽ tăng khi có fading

4 Bộ mã hoá-giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi:

Bộ mã hoá-giải mã thoại của hệ thống CDMA đ-ợc thiết kế với tốc độ biến

đổi 8Kbps Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã hoá- giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa

BS và máy di động Bộ mã hoá -giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo

ra gói tín hiệu thoại đ-ợc mã hoá dùng để truyền tới bộ mã hoá- giải mã phía thu và

ở đây các gói tín hiệu thoại đ-ợc giải mã thành các mẫu tín hiệu thoại

Hai bộ mã hoá- giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc truyền dẫn: 9600 bps, 4800 bps, 2400bps và 1200 bps Các tốc độ này đ-ợc chọn theo điều kiện hoạt

động và theo bản tin hoặc số liệu Thuật toán dùng cho CDMA là QCELP Bộ mã hoá- giải mã thoại biến đổi sử dụng ng-ỡng t-ơng thích để chọn tốc độ số liệu Ng-ỡng đ-ợc điều khiển theo c-ờng độ của tạp âm và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển

đổi thành truyền dẫn thoại chất l-ợng cao trong tr-ờng tạp âm

5 Bảo mật cuộc gọi:

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao và về cơ bản là tạo ra xuyên âm, mỗi máy đ-ợc cung cấp mã riêng, việc sử dụng máy thu tìm kiếm

và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó trong hệ thống CDMA vì tín hiệu CDMA

đã đ-ợc trộn với mã ngẫu nhiên Tiêu chuẩn xuất gồm khả năng xác định và bảo mật cuộc gọi đ-ợc định rõ trong ETA/TIA IS-54B Có thể mã hoá kênh thoại dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc công nghệ mã tiêu chuẩn khác

Đối với hệ thống CDMA, các đặc tính của thông tin trải phổ cho phép MS nhận thông tin từ hai hoặc nhiều hơn các BS đồng thời Nhờ khả năng này mà MS có thể chuyển vùng từ BS này sang BS khác, từ sector này sang sector khác mà không gây ra sự xáo trộn nào lớn về các thông tin thoại và dữ liệu

Trong hệ thống CDMA có chuyển vùng mềm và mềm hơn:

• Chuyển vùng mềm: Xuất hiện khi một BS mới bắt đầu thông tin với MS trong khi MS vẫn tiếp tục thông tin với BS cũ MS sẽ thông tin với 2 BS tức là liên lạc giữa MS và BS xảy ra đồng thời ở hai kênh của giao diện vô tuyến từ hai BS khác nhau

H×nh 2.6b.ChuyÓn vïng mÒm h¬n

7 T¸ch tÝn hiÖu tho¹i:

Trong thông tin hai chiều song công tổng quát, tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn 35% do đó quá trình đàm thoại ng-ời nói và ng-ời nghe có khoảng dừng

Hệ thống CDMA có hệ thống chuyển mạch tắt làm việc nên giao thoa ở ng-ời sử dụng khác giảm đi đáng kể Dung l-ợng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm đi là 1/ 2 vì dung l-ợng đ-ợc xác định theo mức giao thoa ở những ng-ời sử dụng khác

8 Giá trị Eb/No thấp và chống lỗi:

Tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất của ph-ơng pháp điều chế và mã hoá số là xác định tỷ số Eb/No , tỷ số của năng l-ợng trên mỗi bit đối với mật độ phổ công suất tạp âm

Với các hệ thống băng hẹp độ rộng kênh bị giới hạn, chỉ các mã sửa sai có hiệu suất và độ d- thấp là đ-ợc phép sử dụng sao cho giá trị Eb/No cao hơn giá trị

mà CDMA yêu cầu

Với hệ thống CDMA cung cấp một hiệu suất và độ d- thừa mã sửa sai cao do

độ rộng kênh băng tần cao Mã sửa sai đ-ợc sử dụng trong CDMA cùng với giải

điều chế số liệu hiệu suất cao có thể tăng dungl-ợng và giảm công suất yêu cầu với

MS nhờ giảm Eb/No

9.Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng:

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong CDMA Giao thoa tổng ở tín hiệu MS thu đ-ợc từ MS là tổng giao thoa tạo ra trong các máy MS khác ở cùng

BS và giao thoa tạo ra trong các máy MS của BS bên cạnh Tín hiệu của mỗi máy di

động giao thoa với tất cả tín hiệu của MS khác

Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng 1 /2 của giao thoa tổng từ các máy MS khác trong cùng BS

Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định h-ớng là 65%, đó là giao thoa tổng từ các MS khác trong cùng BS với giao thoa từ mọi BS Do đó, giao thoa từ vòng thứ nhất gấp 6 lần 6% là 36% và giao thoa tổng do vòng thứ hai và vòng ngoài

là nhỏ hơn 4% Trong tr-ờng hợp anten BS là định h-ớng (búp sóng anten 1200) thì

giao thoa trung bình giảm 1 /3 vì mỗi anten kiểm soát < 1 /3 số MS trong BS, do đó dung l-ợng cung cấp bởi toàn bộ tăng lên 3 lần

10 Dung l-ợng:

Việc tái sử dụng lại tần số trong hệ thống tổ ong cho phép có một mức độ giao thoa nhất định để mở rộng dung l-ợng có điều kiện CDMA có đặc tính gạt giao thoa do vậy nó thực hiện việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn hệ thống FDMA, TDMA

Hiệu quả tái sử dụng tần số trong hệ thống CDMA đ-ợc xác định bởi tỷ số tín hiệu/ nhiễu tạo ra không chỉ từ một BS mà từ tất cả ng-ời sử dụng trong vùng phục vụ

Do một số l-ợng lớn ng-ời sử dụng đ-ợc xem xét, thì số liệu thống kê của tất cả ng-ời sử dụng là rất quan trọng.Vì vậy, số l-ợng thấp đ-ợc chấp nhận và giao thoa tổng cộng trên một kênh đ-ợc tính bằng việc nhân công suất thu trung bình của tất cả ng-ời sử dụng với số l-ợng ng-ời sử dụng Nếu tỷ số công suất thu đ-ợc với c-ờng độ công suất tạp âm trung bình mà lớn hơn ng-ỡng thì kênh đó cung cấp một chất l-ợng tốt Nói cách khác thì giao thoa trong CDMA và TDMA tuân theo quy luật số l-ợng nhỏ, và tỷ lệ thời gian không đạt chất l-ợng tín hiệu dự định đ-ợc xác

định trong tr-ờng hợp xấu

Các tham số chính xác định dung l-ợng hệ thống CDMA: độ lợi xử lý, Eb/No (gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tần

số, số l-ợng búp sóng anten BS Hơn nữa, càng nhiều kênh thoại đ-ợc cung cấp trong hệ thống CDMA có cùng 1 tỷ lệ cuộc gọi bị chặn thì càng nhiều dịch vụ thuê bao đ-ợc cung cấp trên 1 kênh

11.Dung l-ợng mềm:

Với các hệ thống thông tin t-ơng tự và TDMA, khi nhu cầu thuê bao trong tế bào tăng lên đột ngột, lúc đó hệ thống không có khả năng xử lý, dẫn đến trạng thái tắc nghẽn cuộc gọi

Trong hệ thống CDMA có mối liên quan giữa số l-ợng ng-ời sử dụng và dịch

vụ Khi số l-ợng MS tăng lên, hệ thống CDMA có thể thoả mãn cuộc gọi thêm nhờ việc tăng tỷ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành

Đồng thời hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất l-ợng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định công suất (dung l-ợng) nhiều cho những ng-ời sử dụng dịch vụ lớp cao Có thể cung cấp thứ tự dịch vụ -u tiên cao hơn đối với dịch vụ chuển vùng của ng-ời sử dụng lớp dịch vụ cao so với ng-ời sử dụng dịch vụ thông th-ờng

2.2.3 ng dụng lý thuyết trải phổ vào hệ thống CDMA (Đa truy nhập trải phổ SSMA ứ (CDMA))

Giao thức đa truy nhập phân chia theo mã thuộc về lớp các giao thức, trong

đó thuộc tính đa truy nhập đ-ợc thực hiện chủ yếu bởi nội dung của các dãy mã Mỗi ng-ời sử dụng đ-ợc ấn định một dãy mã duy nhất dùng để mã hoá tín hiệu thông tin Máy thu khi biết các dãy mã của ng-ời sử dụng sẽ giải mã tín hiệu thu và khôi phục tín hiệu ban đầu Do băng tần tín hiệu mã đ-ợc chọn lớn hơn nhiều băng tần tín hiệu mang tin nên quá trình mã hoá sẽ trải rộng phổ của tín hiệu Vì vậy, đa truy nhập theo mã CDMA cũng đ-ợc hiểu là đa truy nhập trải phổ SSMA

Có hai giao thức đa truy nhập CDMA cơ bản, gắn liền với hai kỹ thuật trải phổ cơ bản là FH-CDMA và DS-CDMA

1 Giao thức FH-CDMA:

Trong giao thức này, tần số sóng mang (đ-ợc điều chế bởi tín hiệu thông tin) thay đổi theo chu kỳ Cứ sau mỗi khoản thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới một giá trị khác Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết định

t1 t2 t3 t4 t5

Bộ biến

đổi lên

Tổng hợp tần số

Bộ phát mã

Tổng hợp tần số

Sơ đồ khối cho một hệ thống FH-CDMA nh- hình 2.8:

Hình 2.8.Sơ đồ khối máy phát và thu FH-CDMA

p

f

p

Dữ liệu đ-ợc điều chế băng gốc bởi một sóng mang Tần số sóng

mang đ-ợc biến đổi lên tần số truyền dẫn nhờ bộ tổng hợp tần số, đ-ợc điều khiển bởi mã trải phổ

Tại phía thu, tín hiệu nhận đ-ợc đ-ợc đổi tần xuống tần số sóng mang băng gốc nhờ bộ tổng hợp tần số điều khiển bởi mã trải phổ, tạo ra bởi bộ phát mã nội bộ máy Sau khi giải điều chế sóng mang băng gốc thu đ-ợc dữ liệu ban đầu Bộ bám

đồng bộ đảm bảo rằng việc nhảy tần của sóng mang nội đồng bộ với sóng mang nhận đ-ợc

Có hai loại nhảy tần đ-ợc phân biệt dựa vào tốc độ nhảy tần của sóng mang

là nhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH

Với F-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang lớn hơn (nhiều) so với tốc độ dữ liệu Do đó, nhiều tần số đ-ợc truyền đi trong thời gian một bit

Với S-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn (nhiều) so với tốc độ dữ liệu, do đó nhiều bit đ-ợc truyền đi ở một tần số

Các thuộc tính cơ bản của FH-CDMA nh- sau:

a Đa truy nhập: Trong giao thức F-FH, một bit đ-ợc truyền đi trên các băng

tần số khác nhau Mỗi ng-ời sử dụng sẽ truyền thông tin trong hầu hết các băng tần nh-ng tại mỗi thời điểm lại sử dụng một băng tần khác nhau Do đó, công suất của tín hiệu mong muốn lớn hơn nhiều công suất nhiễu, giúp cho tín hiệu thu đ-ợc chính xác Trong giao thức S-FH, nhiều bit đ-ợc truyền đi tại một băng tần số Nếu xác suất truyền thông tin của những ng-ời sử dụng khác tại cùng một băng tần đủ thấp thì tín hiệu mong muốn sẽ thu đ-ợc một cách chính xác trong hầu hết thời gian Nếu nh- có những ng-ời sử dụng khác truyền dẫn cùng một băng tần, các mã sửa lỗi

đ-ợc sử dụng để phát hiện dữ liệu đ-ợc truyền trong thời gian đó

: Trong giao thức F- -CDMA, trong khoảng thời gian

một bit, tần số truyền dẫn thay đổi nhiều lần Nh- vậy, một tần số sóng mang đ-ợc

điều chế và truyền đi trên nhiều tần số truyền dẫn Vì hiệu ứng đa đ-ờng với các tần

số truyền dẫn khác nhau là khác nhau nên một tần số sóng mang đ-ợc khuyếch đại tại tần số này sẽ bị suy giảm tại một tần số truyền dẫn khác Tại máy thu, đáp ứng

tại các tần số truyền dẫn khác nhau sẽ đ-ợc trung bình hóa Nhờ đó, làm giảm đ-ợc nhiễu đa đ-ờng, mặc dù không hiệu quả nh- hệ thống DS-CDMA nh-ng nó vẫn cung cấp sự cải thiện đáng kể

: Giả sử tín hiệu băng hẹp đ-ợc gây nhiễu lên một trong

c Nhiễu băng hẹp

các tần số truyền dẫn Nếu có GP tần số truyền dẫn (GP gọi là độ tănng ích do xử lý ) thì trung bình, một ng-ời sử dụng sẽ sử dụng tần số truyền dẫn bị gây nhiễu chỉ trong 1/ GP (%) thời gian Vì vậy, nhiễu băng hẹp đ-ợc giảm nhỏ bới hệ số GP

: xác suất thấp cho việc phát hiện tín hiệu FH không

d Xác suất phát hiện

phải vì công suất truyền dẫn thấp Ng-ợc lại, mật độ công suất truyền dẫn cuả CDMA rất lớn Nh-ng tần số truyền dẫn tín hiệu là không biết, hơn nữa thời gian truyền dẫn tại một tần số lại khá nhỏ Do đó, mặc dù tín hiệu FH dễ phát hiện hơn

FH-so với tín hiệu DS, nh-ng việc phát hiện tín hiệu FH cũng rất khó khăn

* -u điểm của FH-CDMA:

1 Đồng bộ của CDMA dễ dàng hơn nhiều so với DS-CDMA Với CDMA việc đồng bộ đ-ợc thực hiện trong từng khoảng thời gian b-ớc nhảy tần Vì việc trải phổ dành đ-ợc không phải do sử dụng tần số nhảy tần cao mà do sử dụng một tổ hợp rất lớn các tần số nên thời gian b-ớc nhảy tần số lớn hơn nhiều so với thời gian chip của hệ thống DS-CDMA Do đó, FH-CDMA cho phép một tỷ lệ lỗi

FH-đồng bộ lớn hơn

2 Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là những băng tần lân cận nhau Kết hợp với -u điểm dễ đồng bộ nên FH-CDMA cho phép làm việc với các băng tần trải phổ lớn hơn nhiều so với DS-CDMA

3 Do hệ thống cho phép sử dụng một băng tần lớn hơn nên nó có khả năng loại trừ nhiễu băng hẹp tốt hơn so với hệ thống DS

1 Hệ thống yêu cầu bộ tổng hợp tần số phức tạp

2 Việc giải điều chế nhất quán khó thực hiện

2 Giao thức DS-CDMA:

Điều chế băng rộng

Tạo sóng mang

Tạo sóng mang

Trong giao thức này, tín hiệu dữ liệu đ-ợc nhân trực tiếp với mã trải phổ, sau

đó, tín hiệu thu đ-ợc điều chế sóng mang băng rộng Sơ đồ khối của máy phát CDMA nh- 2.9 Bộ điều chế băng rộng th-ờng là bộ điều chế PSK

DS-Tín hiệu DS-SS truyền đi có dạng nh- hình 2.10 Trong đó, điều chế băng rộng sử dụng là BPSK và tốc độ chip gấp 10 lần tốc độ thông tin

Máy thu thực hiện giải điều chế sóng mang đối với tín hiệu thu từ anten, sau

đó sử dụng giải điều chế nhất quán để nén tín hiệu trải phổ, sử dụng dãy mã nội bộ,

đ-ợc đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu đ-ợc Điều này đ-ợc thực hiện bởi khối bám và đồng bộ mã

Trong hệ thống này, tín hiệu nhị phân đ-ợc nhân với chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên có tốc độ bit lớn hơn rất nhiều

Hình 2.9.Máy phát DS-SS Hình 2.11.Máy thu DS-SS

Dữ liệu

Tín hiệu mã

Dữ liệu

x mã

Tín hiệu điều chế BPSK

Hình 2.10.Tín hiệu trải phổ( SS) điều chế BPSK Tr-ờng hợp DS-CDMA, 4 đặc tính : đa truy nhập, chống nhiễu đa đ-ờng, chống nhiễu băng hẹp và khả năng phát hiện thấp đ-ợc trình bày cụ thể nh- sau:

a Đa truy nhập: Nếu nhiều ng-ời sử dụng kênh cùng một thời điểm thì có

nhiều tín hiệu DS sẽ chùm lên nhau về thời gian và tần số Máy thu giải điều chế nhất quán để giải điều chế mã Thao tác này sẽ tập trung công suất tín hiệu của ng-ời sử dụng quan tâm trong băng tần thông tin Nếu t-ơng quan giữa mã của ng-ời sử dụng quan tâm và mã của ng-ời sử dụng khác nhỏ thì việc giải điều chế chỉ

đ-a ra một phần nhỏ của công suất các tín hiệu nhiễu trong băng tần thông tin

b Nhiễu đa đ-ờng: Nếu dãy mã có hàm tự t-ơng quan là lý t-ởng thì hàm

t-ơng quan bằng 0 ở ngoài khoảng [ 0, Tc] với Tc là thời gian tồn tại của một chip Nghĩa là nếu nhận đ-ợc hai tín hiệu: một là tín hiệu mong muốn và một là tín hiệu

đó trễ đi một khoảng lớn hơn 2 Tc, thì việc giải điều chế nhất quán sẽ xem tín hiệu

đó nh- một tín hiệu nhiễu và chỉ mang một phần rất nhỏ công suất nhiễu vào trong băng tần thông tin

c Nhiễu băng hẹp: Việc nhân nhiễu băng hẹp có trong tín hiệu thu đ-ợc với

mã băng rộng sẽ làm trải phổ nhiễu băng hẹp Vì vậy công suất nhiễu băng hẹp trong băng tần thông tin giảm đi với hệ số bằng tăng ích do xử lý Gp

d Xác suất phát hiện thấp: Do tín hiệu dãy trực tiếp sử dụng toàn bộ phổ tín

hiệu tại mọi thời điểm nên mật độ công suất truyền dẫn (W/Hz) rất thấp Vì vậy khó phát hiện

* -u điểm DS-CDMA:

1 Việc mã hoá dữ liệu đơn giản có thể thực hiện bằng một bộ nhân

2 Bộ tạo sóng mang là đơn giản do chỉ có một sóng mang đ-ợc phát

đi

3 Có thể thực hiện việc giải điều chế nhất quán tín hiệu trải phổ

1 Khó đồng bộ giữa tín hiệu mã nội bộ và tín hiệu thu

2 Do nh-ợc điểm trên kết hợp với đặc điểm các băng tần liên tục lớn không sẵn có nên băng tần trải phổ bị hạn chế là 10-20 MHz

3 Ng-ời sử dụng ở gần BS sẽ phát mức công suất lớn hơn nhiều so với những ng-ời sử dụng ở xa Vì một thuê bao sẽ truyền dẫn trên toàn bộ băng tần một cách liên tục nên ng-ời sử dụng ở gần BS sẽ gây nhiễu lớn cho những ng-ời sử dụng ở xa

BS Hiệu ứng gần-xa này có thể đ-ợc khắc phục bằng cách áp dụng thuật toán điều khiển công suất trong đó mức độ công suất trung bình mà BS nhận từ mỗi MS là giống nhau

2.3 Hệ thống thông tin di động thứ hai N-CDMA và hệ thống thông tin di động thứ ba W-CDMA

2.3.1.Các tiêu chuẩn cho W- CDMA

Năm 1992, hiệp hội Công nghệ Viễn thông của Mỹ TIA thành lập uỷ ban kỹ thuật TR45.5 nhằm nghiên cứu và đề ra các tiêu chuẩn tế bào cho dịch vụ băng rộng

Uỷ ban TR45.5 này đề nghị tiêu chuẩn TIA IS-95- tiêu chuẩn t-ơng hợp giữa

MS và BS cho hệ thống tế bào băng rộng hoạt động kết hợp với hệ thống t-ơng tự AMOBILE PHONES Tiêu chuẩn IS-95 trợ giúp hệ thống trải phổ dãy trực tiếp với băng tần 1,23MHz Mục tiêu của TR45.5 là tạo ra khả năng tăng dung l-ợng cho các hệ thống di động tế bào t-ơng tự, do đó IS-95A, một phiên bản của IS-95, ra đời năm 1994, trợ giúp cho MS có thể hoạt động ở cả hai chế độ là hệ thống tế bào t-ơng tự và hệ thống CDMA

Cùng với IS-95A, một thông báo cung cấp kỹ thuật (ký hiệu PN-3570) đ-ợc phát hành năm 1995 cung cấp lớp vật lý tốc độ 14,4 Kbps, cấu hình và những thoả thuận về dịch vụ, về hoạt động nội bộ hệ thống thông tin cá nhân với nhan đề: “ Thông báo hệ thống Viễn thông : trợ giúp tốc độ dữ liệu 14,4Kbps và hoạt động nội

bộ tín hiệu PCS cho các hệ thống tế bào trải phổ băng rộng”

Tr-ớc yêu cầu thông tin trên băng tần mới, cao hơn (1,8-2)GHz, TIA lập Uỷ ban TR46 để thiết lập các tiêu chuẩn cho môi tr-ờng vô tuyến băng tần này TR46

đề ra một số nguyên tắc mới cùng với một phần của các tiêu chuẩn IS-95A và TSB PN-3570 trong tổ hợp tiêu chuẩn ký hiệu chung là SP-3384

Các tiêu chuẩn SP-3384, IS-95A và TSB PN-3570 là cơ sở hoạt động cho CDMA băng hẹp (N-CDMA)

Hình 2.12 Xu h-ớng tiến tới 2 tiêu chuẩn cho thông tin di động thế hệ 3

Ngoài xu h-ớng triển khai N-CDMA theo tiêu chuẩn IS-95 ngày nay một xu h-ớng đáng chú ý là triển khai CDMA băng rộng W-CDMA Có hai giải pháp xây dựng W-CDMA khác nhau đã đ-ợc ITU chấp thuận: một giải pháp kỹ thuật đ-ợc đề xuất bởi nhiều tập đoàn Viễn thông (có cơ sở hạ tầng CDMA IS-95) là CDMA2000 Giải pháp kỹ thuật còn lại đ-ợc đề xuất bởi Ericsson, Motorola và một số liên minh tập đoàn Viễn thông khác, xây dựng W-CDMA hoàn toàn dựa trên nền tảng GSM (Hình 2.12)

2.3.2 CDMA băng hẹp

Công nghệ CDMA hoạt động ở băng thông 1,25 MHz (đã đ-ợc trình bày trong phần 2.2) đ-ợc gọi là công nghệ N-CDMA (công nghệ CDMA băng hẹp) Công nghệ này nhanh chóng trở thành một giao diện vô tuyến trong thị tr-ờng dịch

vụ tổ ong, mạch vòng thuê bao vô tuyến WLL và thông tin cá nhân PCS Tuy nhiên, công nghệ này còn nhiều vấn đề tồn tại: điều khiển công suất chuyển vùng, rớt cuộc gọi, dung l-ợng, vi rút phần mềm

Đồng thời N-CDMA tiêu chuẩn IS-95 không thể cung cấp dịch vụ số liệu tốc

độ cao, dịch vụ ISDN và một số dịch vụ khác Với công nghệ này khó có thể xây dựng hệ thống thông tin thế hệ thứ 3 với yêu cầu thông tin từ số liệu tốc độ cao và thông tin đa ph-ơng tiện băng rộng, truyền hình ảnh, cung cấp dịch vụ điện thoại hình

GSM GPRS W-CDMA

IS -95 CDMA2000

Búp hẹp h-ớng đến MS

Dịch pha và khuyếch đại Các phần tử anten

Đến máy phát hoặc máy thu

Đặt ra một vấn đề đối với các nhà nghiên cứu là cần tiến hành nghiên cứu và xây một hệ thống CDMA băng rộng trên cơ sở của CDMA băng hẹp

2.3.3 CDMA băng rộng

W-CDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trực tiếp băng rộng (wideband DS-CDMA) với các tính năng cơ sở nh- :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Miền thời gian có một cấu trúc khung gồm các khung 10ms, đối với mỗi khung lại đ-ợc chia thành 16 khe thời gian 0,635ms

và up link (FDD) và ghép song công phân chia theo thời gian(TDD)

Ngoài ra công nghệ này còn đ-ợc tăng c-ờng các tính năng sau:

- Anten linh hoạt (Hình2.13 và 2.14 a+b): Không chỉ cho phép đạt đ-ợc độ tăng ích M lần mà còn đảm bảo độ lợi phân tập M lần Khi công suất phát không đổi các anten có thể tăng vùng phủ bằng cách tăng hệ số tăng ích anten

Hình 2.13.Anten linh hoạt thích ứng dạng dàn