Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 6 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 6 1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9 1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 1.3.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu 10 1.3.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống 10 1.3.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập 11 1.3.4 Phân loại theo phương thức song công 11 1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG 12 1.4.1 Hiệu ứng dơppler 12 1.4.2 Tổn hao đường truyền 13 1.4.3 Pha đinh 14 1.4.4 Trải trễ 15 1.5 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP 15 1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 16 1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 16 1.5.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 17 1.6 KẾT LUẬN 18 Chương 2: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 19 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 19 2.2 NGUYÊN LÝ CHUNG 20 2.2.1 Nguyên lý trải phổ: 20 2.2.2. Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 22 a. Khả năng chống nhiễu 22 b. Khả năng bảo mật 25 c.Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) 25 2.2.3. Phân loại kỹ thuật trải phổ 26 a. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence) 26 b. Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) 27 c. Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping) 27 d. Các hệ thống lai ghép: FHDS, THFH, THDS và DSFHTH 28 2.3 CÁC CHUỖI TRẢI PHỔ 29 2.3.1. Thuộc tính tương quan của chuỗi trải phổ 29 2.3.2. Các chuỗi trải phổ 31 a. Chuỗi m 31 b. Chuỗi Gold 31 b. Chuỗi Kasami 32 d. Chuỗi Walsh 33 2.4 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP 34 2.4.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS – Direct Sequence Spectrum Spreading) 34 2.4.2 Các hệ thống DSSS BPSK 35 a. Máy phát DSSS BPSK 35 b. Máy thu DSSS BPSK 36 c. Mật độ phổ công suất 39 d. Độ lợi xử lý (PG) 40 2.4.4. Các hệ thống DSSS QPSK 41 a. Máy phát 41 b. Máy thu 42 2.4.5 Ưu, nhược điểm của hệ thống trải phổ trực tiếp 44 a. Ưu diểm 44 b.Nhược điểm 46 2.5 KẾT LUẬN 46 Chương 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 47 3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 47 3.1.1 Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM2000 47 3.1.2 Các đặc điểm của hệ thống WCDMA 49 a. Các đặc điểm của WCDMA 50 b. Cấu trúc của WCDMA 51 3.1.3 Các kênh trong WCDMA 56 a. Kênh truyền tải: 56 b. Các kênh vật lý (physical Channel) 59 c. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý: 62 3.2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 63 3.3.1 Ngẫu nhiên hóa 63 3.3.2 Các mã định kênh 64 3.3.3 Các mã ngẫu nhiên hoá 65 a. Các mã ngẫu nhiên hoá đường lên: 65 b. Mã ngẫu nhiên hóa đường xuống 66 3.3.4 Trải phổ cho kênh vật lý đường lên 66 a. Các kênh vật lý riêng đường lên (DPCCHDPDCH) 67 b. Kênh PRACH, PCPCH 69 3.3.5 Trải phổ kênh vật lý đường xuống 70 a. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin trải phổ cho kênh vật lý đường xuống 71 b. Trải phổ cho kênh đồng bộ 72 3.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT WCDMA 73 3.3.1 Điều khiển công suất nhanh 74 3.3.2 Điều khiển công suất vòng ngoài 78 KẾT LUẬN CHUNG 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 6

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 6

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .9

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 10

1.3.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu 10

1.3.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống 10

1.3.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập 11

1.3.4 Phân loại theo phương thức song công 11

1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG 12

1.4.1 Hiệu ứng dơppler 12

1.4.2 Tổn hao đường truyền 13

1.4.3 Pha đinh 14

1.4.4 Trải trễ 15

1.5 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP 15

1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 16

1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 16

1.5.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 17

1.6 KẾT LUẬN 18

Chương 2: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 19

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 19

2.2 NGUYÊN LÝ CHUNG 20

2.2.1 Nguyên lý trải phổ: 20

2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 22

a Khả năng chống nhiễu 22

b Khả năng bảo mật 25

c.Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access) 25

2.2.3 Phân loại kỹ thuật trải phổ 26

a Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence) 26

b Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) 27

c Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping) 27

d Các hệ thống lai ghép: FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH 28

2.3 CÁC CHUỖI TRẢI PHỔ 29

2.3.1 Thuộc tính tương quan của chuỗi trải phổ 29

1

2.3.2 Các chuỗi trải phổ 31

a Chuỗi m 31

b Chuỗi Gold 31

b Chuỗi Kasami 32

d Chuỗi Walsh 33

2.4 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP 34

2.4.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spectrum Spreading) 34

2.4.2 Các hệ thống DS/SS - BPSK 35

a Máy phát DS/SS - BPSK 35

b Máy thu DS/SS - BPSK 36

c Mật độ phổ công suất 39

d Độ lợi xử lý (PG) 40

2.4.4 Các hệ thống DS/SS - QPSK 41

a Máy phát 41

b Máy thu 42

2.4.5 Ưu, nhược điểm của hệ thống trải phổ trực tiếp 44

a Ưu diểm 44

b.Nhược điểm 46

2.5 KẾT LUẬN 46

Chương 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 47

3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 47

3.1.1 Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 47

3.1.2 Các đặc điểm của hệ thống WCDMA 49

a Các đặc điểm của WCDMA 50

b Cấu trúc của WCDMA 51

3.1.3 Các kênh trong WCDMA 56

a Kênh truyền tải: 56

b Các kênh vật lý (physical Channel) 59

c Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý: 62

3.2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 63

3.3.1 Ngẫu nhiên hóa 63

3.3.2 Các mã định kênh 64

3.3.3 Các mã ngẫu nhiên hoá 65

a Các mã ngẫu nhiên hoá đường lên: 65

b Mã ngẫu nhiên hóa đường xuống 66

3.3.4 Trải phổ cho kênh vật lý đường lên 66

a Các kênh vật lý riêng đường lên (DPCCH/DPDCH) 67

b Kênh PRACH, PCPCH 69

3.3.5 Trải phổ kênh vật lý đường xuống 70

a Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin trải phổ cho kênh vật lý

đường xuống 71

b Trải phổ cho kênh đồng bộ 72

3.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT WCDMA 73

3.3.1 Điều khiển công suất nhanh 74

3.3.2 Điều khiển công suất vòng ngoài 78

KẾT LUẬN CHUNG 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

3

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây kỹ thuật trải phổ được ứng dụng rộng rãinhờ các ưu điểm của nó trong việc tăng dung lượng hệ thống, khả năng bảomật cao chống nhiễu cố ý hoặc vô tình, Để đạt được mục đích đó là nhờviệc giãn phổ tín hiệu để không phân biệt được với nền tạp âm Một trongnhững ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của kỹ thuật trải phổ là côngnghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động đã đem lạinhững ưu điểm vượt bậc về hiệu quả sử dụng dải thông lớn so với các côngnghệ khác

Hiện nay thông tin di động đang phát triển với tốc độ chóng với số thuêbao di động tăng nhanh Để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng đa dạng đòihỏi chất lượng ngày càng cao của khách hàng, thông tin di động không ngừngđược nghiên cứu để đưa ra các chuẩn mới tiên tiến hơn Và hệ thống thông tin

di động thế hệ 3 dựa trên nguyên lý CDMA đang được phát triển để thay thếcho hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được xây dựng dựa trên ITM-2000bao gồm 2 tiêu chuẩn WCDMA và CDMA2000 WCDMA là một bộ phậncủa CDMA trải phổ trực tiếp còn CDMA2000 là một bộ phận của CDMA đasóng mang trong đó công nghệ WCDMA được nhiều nhà khai thác lựa chọnnhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhauđặc biệt là các dịch vụ thấp và trung bình

Do đó việc nghiên cứu kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của kỹ thuật trảiphổ là rất cần thiết Vì vậy em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là: “Mạng di độngứng dụng kỹ thuật trải phổ thế hệ sau” tập trung nghiên cứu về kỹ thuật trảiphổ và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

Đồ án của em gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.

Chương này nêu những nét cơ bản nhất về hệ thống thông tin di độngChương 2: Kỹ thuật trải phổ

Chương này đi sâu tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ, các đặc điểm của các

hệ thống trải phổ cơ bản

Chương 3: Úng dụng kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

Chương này nêu các đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 3WCDMA, ứng dụng kỹ thuật trải phổ trong hệ thống WCDMA và kỹ thuậtđiều khiển công suất trong WCDMA

Trong quá trình làm đồ án mặc dù đã cố gắng rất nhiều song do hạn chế

về mặt thời gian và khó khăn trong việc tìm tài liệu nên đồ án của em còn cónhiều hạn chế Vì vậy em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy côgiáo và bạn bè để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em cũng xin cảm ơn thầy giáo Đại tá, PGS-TS Đỗ Huy Giác cùng cácthầy cô giáo trong bộ môn thông tin – Khoa vô tuyến điện tử - Học viện kỹthuật quân sự đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của nhà bác học người Ý MarconiGuglielmo đã cho thấy là thông tin vô tuyến có thể thực hiện được giữa cácmáy thu phát ở xa nhau và di động Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu dùng

mã Morse, cho đến năm 1982 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiếtlập lúc đầu là cho cảnh sát Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, bang NewJesrey mới thiết lập hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầutiên trên thế giới Hồi đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặnghàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tử tốn côngsuất nguồn lớn Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liênlạc được với khoảng cách vài chục dặm Sau đó quân đội cũng đã dùng thôngtin di động để chỉ huy và chiến đấu có hiệu quả Các dịch vụ di động trongđời sống như cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng hải, hàng không… cũng đã

sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi Chấtlượng thông tin di động hồi đó rất kém Đó là các đặc tính truyền sóng vôtuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu

đã được phát đi, khác nhau về biên độ, pha và độ trễ Tổng hợp véc tơ của cáctín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được bị thăng giáng mạnh vànhanh Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn vànhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy Tất nhiên tất cả cácđặc tính truyền dẫn ấy vẫn tồn tại đến ngày nay nhưng hồi đó chúng chỉ đượcchống lại bằng một kĩ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai Trong khi ngày naycông nghệ tích hợp cỡ lớn VLSI (Very large scale circuit) có thể sử dụng từhàng trăm ngàn đến hàng triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh hưởng

xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có khôngđến 10 đèn điện tử.

Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vôtuyến luôn luôn khan hiếm Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng chophát thanh trong các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi cácdịch vụ thông tin toàn cầu Công nghệ hồi đó thì chưa thích hợp để đạt đếnchất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF Khái niệm về tái sửdụng tần số đã được nhận thức xong không được áp dụng để đạt được mật độngười sử dụng cao Do đó trong suốt nhiều năm, chất lượng của thông tin diđộng kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thíchhợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trêncác băng tần số cao

Năm 1947, Bell labs cho ra ý tưởng về mạng điện thoại di động tế bào:các máy di động lưu động tự do và chuyển vùng khi từ tế bào này sang tế bàokhác Các tế bào được tổ chức nhằm phủ kín vùng phủ sóng (là vùng địa lýđược cung cấp dịch vụ di động) và kết nối thành mạng thông qua chuyểnmạch (tổng đài điện thoại di động) được bố trí tại trung tâm vùng

Cấu hình cơ bản mạng tế bào được thể hiện trên hình1-1:

Hình 1-1 Cấu hình mạng tế bào

7

Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được sốhóa nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ítnguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp Các

hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất bắt đầu được sử dụng song mới chỉ

ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân trongcộng đồng Mặc dù Bell Laboratories đã ấp ủ ý đồ về một mạng tế bào ngay

từ năm 1947, song mãi cho tới năm 1979 công ty mẹ của nó vẫn không làm gì

để khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào Thời kỳ ấp ủlâu dài đó là phải chờ các phát triển cần thiết về công nghệ Chỉ tới khi cácmạch tích hợp thiết kế được một cách tùy chọn, các bộ vi xử lý, các mạchtổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn… mạng vô tuyến tếbào mới được thực hiện Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đờicủa một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự thường được gọi là các mạng vôtuyến di động mặt đất công cộng (PLMR- Public Land Mobile Radio) Làmviệc ở giải tần UHF, các mạng này cho thấy sự thay đổi vượt bậc về độ phứctạp hệ thống thông tin liên lạc dân sự Chúng cho phép người sử dụng có đượcnhững cuộc đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối tượng nào có nối tớicác mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public SwitchedTelephone Network) hoặc các mạng đa dịch số (Intergrated Services DigitalNetwork) Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa trongthông tin di động với việc áp dụng các mạng tế bào số (digital cellularsystem) và các hệ thống không dây số (digital cordless telecommunicationsystem) Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến diđộng số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như thưtiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin ngắn… Thông tin di động

đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới, càng ngàycàng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cốđịnh Ngày nay trên thế giới số thuê bao di động đã lên tới hơn một tỷ Doanh

số thu được từ dịch vụ liên lạc di động đã bắt kịp và vượt doanh số của cácdịch vụ cố định từ 1998 Khả năng roaming toàn cầu đã có, nhiều thế hệ thôngtin di động ra đời.

Tại Việt Nam hiện nay đã có rất nhiều công ty kinh doanh dịch vụthông tin di động bao gồm cả công nghệ GSM (như Vinaphone, mobifone,Viettel) và công nghệ CDMA (như Sphone ) với số thuê bao không ngừngtăng lên, doanh thu từ dịch vụ này ngày càng tăng Các dịch vụ cũng ngàycàng được mở rộng

Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (InternationalTelecommunication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin diđộng thế hệ thứ ba (3G: 3rd Generation) trong dự án IMT-2000 (InternationalMobile Telecommunication-2000) Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêuchuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động, phục vụ nhiều loại hìnhdịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2Mb/s

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ mạng điện thoại cố địnhthông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thùcho mạng để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi Để đảm bảo được các chứcnăng nói trên, các mạng thông tin di động phải đảm bảo một số yêu cầu cơbản chung sau đây:

 Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt dung lượng cao

 Đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu Các hệ thống thông tin diđộng phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bởi pha đinh

 Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất bằng cách sử dụng SIM-CARD.SIM-CARD có kích thước như một thẻ tín dụng Thuê bao có thể cắmthẻ này vào máy di động của mình và chỉ có người này mới có thể sử

9

dụng nó Các thông tin lưu trữ ở SIM-CARD cho phép thực hiện cácthủ tục an toàn thông tin.

 Giảm tối đa tỷ lệ rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủnày sang vùng phủ khác

 Cho phép phát triển các dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ phi thoại

 Đảm bảo tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế(International roaming)

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

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Với sự phát triển nhanh của công nghệ chế tạo, nhiều hệ thống thông tin

di động ra đời phục vụ cho lợi ích thương mại Các hệ thống đó bao gồmnhiều dạng và phân chia theo các phương thức khác nhau

1.3.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu

 Hệ thống tương tự – Analog: Thế hệ 1; Tín hiệu thoại điều tần Analog,các tín hiệu điều khiển đã số hóa toàn bộ

 Hệ thống số – Digital: Thế hệ 2 và cao hơn; Tín hiệu thoại, tín hiệuđiều khiển đã số hóa toàn bộ Ngoài dịch vụ truyền tín hiệu thoại còn

có khả năng phục vụ các dịch vụ khác như truyền số liệu, truy cậpmạng…

1.3.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống

 Các mạng thông tin vô tuyến dạng tế bào: Cung cấp dịch vụ trên diệnrộng với khả năng lưu động- Roaming, toàn cầu - Liên mạng

 Các mạng vô tuyến không dây: Cung cấp các dịch vụ trên diện hẹp, cógiải pháp kỹ thuật đơn giản, không có khả năng Roaming

 Vành vô tuyến địa phương WLL- Wireless Local Loop: Cung cấpdịch vụ điện thoại vô tuyến với chất lượng như điện thoại cố định chomột vành đai quanh một trạm gốc Không có khả năng Roaming Mục

đích nhằm cung cấp dịch vụ điện thoại cho các vùng mật độ dân cưthấp, mạng lưới điện thoại cố định chưa phát triển.

1.3.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập

 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA - Frequency DivisionMultiple Access : Mỗi một thuê bao truy nhập mạng bằng một tần số Băng tần chung được chia thành N kênh vô tuyến Mỗi một thuê baotruy nhập và liên lạc trên kênh con trong suốt thời gian liên lạc

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA - Time DivisionMultiple Access : Trong phương thức truy nhập này, các thuê bao dùngchung một tần số song luân phiên nhau về thời gian

 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA - Code Division MultipleAccess : Các thuê bao dùng chung 1 tần số trong suốt thời gian liên lạc.Phân biệt nhờ sử dụng mã trải phổ khác nhau

1.3.4 Phân loại theo phương thức song công

 Song công phân chia theo tần số FDD- Frequency Division Duplex :Băng tần công tác gồm 2 giải tần dành cho đường lên (up -link) từ MS đến

BS và đường xuống (down-link) từ BS tới MS Trong đó đường lên luôn

là giải tần thấp vì MS có công suất nhỏ hơn thường di động và có khả năng

bị che khuất, khi đó với dải tần thấp hơn thì khả năng bị che khuất giảm

 Song công phân chia theo thời gian TDD- Time Division Duplex :Trong phương thức này, khung thời gian công tác được phân chia là 2,một nửa cho đường lên và một nửa cho đường xuống

Dù các mạng thông tin di động dạng tế bào phân loại theo cách nào thìmục đích của các mạng thông tin đó cũng phải đáp ứng được yêu cầu cơ bảnsau: thiết bị ngày càng rẻ; chất lượng dịch vụ ngày càng tốt hơn, giá cước mỗicuộc gọi giảm; dung lượng thông tin của hệ thống cao, đáp ứng nhu cầu pháttriển của hệ thống Song, với các kỹ thuật sử dụng như: kỹ thuật điều chế; kỹthuật đa truy nhập; kỹ thuật mã nói tiếng nói và các thiết bị phụ trợ sử dụng

11

trong hệ thống…đều gây ảnh hưởng đến hiệu quả phổ của các hệ thống.Trong khi đó, dải tần vô tuyến là nguồn tài nguyên có giới hạn Việc sử dụngnguồn tài nguyên đó như thế nào để có hiệu quả cao là việc rất quan trọng.

1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG

Đặc điểm truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thuđược ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên

độ, pha và độ trễ Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tínhngẫu nhiên Sự tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàngloạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển,tốc độ truyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên mộtđơn vị tần số trong một đơn vị diện tích, anten, công suất phát, sơ đồ điều chế,

… Tuy nhiên về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnhhưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn haođường truyền, pha đinh đa đường và trải trễ

1.4.1 Hiệu ứng dơppler

Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tần số của tínhiệu đã được phát đi, gây ra bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máythu trong quá trình truyền sóng

Giả sử một sóng mang không bị điều chế có tần số f c, được phát tớimột máy thu đang di động với vận tốc  Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhậnđược theo tia sóng thứ i sẽ là:

với c là vận tốc ánh sáng

Tổng hợp tác động của mọi tia sáng tới máy thu theo mọi góc khác nhautrong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn đếntín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộngbăng W d lên tới 2f m Đối với trường hợp tín hiệu phát là một tín hiệu có điềuchế với độ rộng băng tín hiệu W s(tín hiệu phát có các thành phần tần số từ

1.4.2 Tổn hao đường truyền

Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức tín hiệu thu so với mứctín hiệu phát Trong không gian truyền sóng tự do, mức trung bình của tínhiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các anten thu và phát.Trong thông tin di động với môi trường khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ củamôi trường truyền, do che khuất,… tổn hao đường truyền có thể lớn hơn rấtnhiều tổn hao trong điều kiện truyền sóng trong không gian tự do Tổn hao

13

đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ

di động của các chướng ngại vật, độ cao anten, loại anten,… Trong thông tin

vô tuyến tế bào, nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo luật mũ 4của khoảng cách Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tếbào và cự ly liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chấtcủa tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sửdụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số

1.4.3 Pha đinh

Trong những khoảng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu trung bình

có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu tại antenthu lại có thể thăng giáng nhanh với mức thay đổi tiêu biểu lên tới 40dB.Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là pha đinh nhanh.Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm thu diđộng sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát đó mà là

cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các cao

ốc và các chướng ngại vật linh tinh khác trong vùng truyền sóng trước khi tớimáy thu Thực tế trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tại máythu di động đều phải chịu những thay đổi về pha, độ trễ, biên độ cũng nhưlượng dịch tần Doppler Kết quả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thểkhác một cách căn bản với sóng mang đã phát Trong trường hợp nghiêmtrọng tổng véc-tơ của các tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trịrất thấp Hiện tượng này gọi là pha đinh đa đường Khi máy di động dichuyển, mức điện thu bị pha đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóngdọc theo hành trình của nó Một khi pha đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được

có thể giảm tới không, tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, đầu ramáy thu hoàn toàn tùy thuộc vào nhiễu của kênh

1.4.4 Trải trễ

t BS

M

Đối với thông tin di động số việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tiasóng trong môi trường di động sẽ dẫn đến sự trải trễ được thể hiện trên hình1-2:

ΔD D

Hình 1-2 Trải trễ.

ΔD D: là lượng trải trễ Độ trải trễ có thể xem như độ dài của xung thu khixung cực hẹp được phát đi

Hiện tượng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin: Tốc độ truyền ở thí dụ trên

là 1/T Để không xảy ra ISI (Intersymbol Interference: Xuyên nhiễu giữa cácdấu) thì T ≥ ΔD D, tức là R = 1/T < 1/ΔD D Dẫn đến ΔD D càng lớn thì tốc độtruyền tin càng nhỏ

Với thông tin di động trong nhà và picocell hoặc microcell ΔD D ≤ 500nsvậy tốc độ tối đa có thể đạt được là 2Mb/s mà có thể không cần tới san bằngkênh

Với thông tin di động tế bào lớn ΔD D có thể lớn tới ≥ 10μs để có thểs để có thểtruyền tin với tốc độ cao (≥ 64kb/s) nhất thiết phải có san bằng kênh

1.5 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP

Các phương thức đa truy nhập gồm các phương thức sau:

 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Dưới đây sẽ xét các phương pháp đa truy nhập trên

1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

15

D

T

Đa truy nhập theo tần số được sử dụng chủ yếu trong thông tin di độngthế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đườngxuống (downlink) từ trạm gốc (BS) tới máy di động (MS) và đường lên(uplink) từ máy di động tới trạm gốc Mỗi người sử dụng chiếm một dải tầncon có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liênlạc Đặc điểm của loại đa truy nhập này là tốc độ truyền thấp, khó áp dụngcho các dịch vụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênhtrong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu và máy phát làm việc trên bấynhiêu tần số đặt tại BS do đó kết cấu của BS cồng kềnh Phương thức FDMAđược sử dụng chủ yếu trong thông tin di động thế hệ 1.

Hình 1-3 Phân bố tần số trong hệ thống tế bào FDMA.

1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Đa truy nhập phân chia theo thời gian được sử dụng trong hầu hết các

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đã hoàn toàn số hoá Trong phương thức

đa truy nhập này mỗi người sử dụng chiếm cả dải tần W ở một khe thời giannhất định trong suốt thời gian liên lạc Đặc điểm của phương thức đa truynhập này là dễ mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm gốc khá đơn giản do chỉcần một cặp máy thu phát làm việc trên một cặp tần số ứng với đường lên vàđường xuống cho nhiều người sử dụng (8 người sử dụng đối với GSM), hiệu

quả sử dụng tần số cao hơn so với kiểu đa truy nhập theo tần số Tuy nhiênphương thức này yêu cầu rất cao về đồng bộ và đòi hỏi có các mạch san bằngkhá phức tạp để hạn chế ISI sinh ra trong quá trình truyền tin.

FigurHình 1-4 Ba khe thời gian của TDMA.

1.5.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Đa truy nhập theo mã là một dạng của đa truy nhập trải phổ SSMA(Spread Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi người sử dụng dùng toàn

bộ phổ tần như với TDMA và trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi như đốivới FDMA Các kênh được phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giảtạp âm PN khác nhau nhờ đó hầu như không gây nhiễu lẫn nhau

Ưu điểm của CDMA là hiệu quả sử dụng phổ cao, có khả năng chuyểnvùng mềm và đơn giản trong kế hoạch phân bổ tần số Khả năng chống nhiễu

và bảo mật cao, thiết bị trạm gốc đơn giản

Tuy nhiên nhược điểm của nó là yêu cầu về đồng bộ và điều khiển côngsuất rất ngặt nghèo và tìm ra các mã PN có khả năng cung cấp kênh lớn

Ngoài ra do hoàn cảnh lịch sử mà hệ thống GSM (TDMA) đã được chấp nhận

ở châu Âu và số nước khác trên thế giới đảm nên việc cạnh tranh thị trườngcủa hệ thống CDMA gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên trong tương lai hệ thốngCDMA sẽ chiếm ưu thế và các hệ thống di động thế hệ tiếp theo (thứ ba, thứtư) là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó

1.6 KẾT LUẬN

17

Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di độngvới lịch sử phát triển của thông tin di động, phân loại hệ thống thông tin diđộng, các đặc điểm truyền sóng trong môi trường di động và các kỹ thuật đatruy nhập Trong chương 2 em sẽ đi sâu trình bày về kỹ thuật trải phổ - một

kỹ thuật nền tảng cho các hệ thống thông tin di động CDMA và các hệ thốngthông tin di động thế hệ sau

Chương 2

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Kỹ thuật trải phổ đã được ứng dụng lần đầu tiên trong các hệ thốngthông tin của quân đội Mỹ vào những năm 1940, nhằm che dấu thông tin vàchống nhiễu cố ý Tuy nhiên, vài thập niên sau đó kỹ thuật này ít được quantâm nên khả năng ứng dụng của nó có phần hạn chế Cho mãi đến cuối nhữngnăm 1970 trên thế giới mới thấy nói đến kỹ thuật trải phổ trong các hệ thốngthông tin và những năm gần đây nhờ các ưu thế tuyệt vời của nó trong thôngtin di động và một loạt các hệ thống thông tin khác mà kỹ thuật trải phổ thực

sự phát triển rầm rộ

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng

tần W rất rộng, thường rộng gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử

dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN Khi chỉ có mộtngười sử dụng băng tần trải phổ thì việc sử dụng băng tần như vậy là khônghiệu quả Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng, những người sửdụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụngbăng tần trở nên có hiệu quả mà vẫn giữ được các ưu điểm của trải phổ

Ý tưởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vàođịnh lý Shannon, định lý này được phát biểu như sau: Với một kênh có tạp âm

trắng cộng tính (AWGN- Additive White Gaussian Noise) thì tương quan giữa dung lượng, công suất, độ rộng dải tần và chất lượng được cho bởi:

Trong đó:

C : dung lượng của kênh

B : độ rộng dải tần của tín hiệu S/N : tỷ số giữa công suất tín hiệu và tạp âm

19

Như vậy, cùng với một dung lượng xác định C, có thể truyền được tínhiệu với tỷ số S/N rất thấp nếu tín hiệu có phổ rất rộng Điều này có thể đạtđược nhờ thực hiện trải rộng phổ của tín hiệu cần truyền ở phần phát và nénphổ ở phần thu Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trongcác điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che dấu tín hiệu chìm vào trong nềnnhiễu, nhờ đó đối phương rất khó phát hiện được tin tức truyền đi Hơn nữa,nhờ việc sử dụng các mã giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối phương hầu nhưkhông thể giải mã được thông tin.

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu đượctruyền đi rất rộng Tuy vậy, không phải loại hệ thống thông tin nào có phổrộng cũng là hệ thống thông tin trải phổ Một hệ thống thông tin được gọi là

hệ thống trải phổ nếu nó thoả mãn 3 yếu tố sau đây:

- Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần sovới bề rộng phổ ban đầu của nó trước khi trải phổ

- Việc trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường đượcgọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơnnhiều lần tốc độ dữ liệu Tín hiệu trải được lựa chọn sao cho tạo ra một phổtổng cộng gần với phổ của tạp âm

- Quá trình giải trải phổ được thực hiện nhờ lấy tương quan giữatín hiệu thu được và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải

và mã của những người sử dụng khác rất thấp Do quá trình mã hóa sẽ trảirộng phổ của tín hiệu cần phát nên băng tần của tín hiệu mã lớn hơn rất nhiều

so với băng tần tối thiểu cần thiết để mang tin Vì vậy người ta gọi phươngpháp này là điều chế trải phổ, tín hiệu thu được gọi là tín hiệu trải phổ

Hiệu quả của trải phổ được đánh giá thông qua tăng ích xử lý PG(Processing Gain), Nếu ký hiệu W là băng tần phát, Bi là băng tần của tín hiệumang tin Ta có định nghĩa về độ tăng ích xử lý PG như sau:

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống trải phổ được cho ở hình sau:

21

Nén

dữ liệu

Mã hoá sửa sai

Điều chế

KĐ CS

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu

Tạo sóng mang

Đ/c

Tạo chuỗi

PN

Kênh truyền

Trạm phát

vệ tinh

Kênh truyền

Tạp âm Nhiễu

Tạp âm Nhiễu

Giải

nén

Giải mã

Đồng

bộ chuỗi

Tạo chuỗi

PN

Giải điều chế

KĐ CS A/D

Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ.

2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ

a Khả năng chống nhiễu

Từ khi ra đời đến nay, các hệ thống thông tin trải phổ đã và đang ngàycàng phát triển Các hệ thống này đã chứng tỏ được tính ưu việt của kỹ thuậttrải phổ, đó là khả năng chống nhiễu cao

Nếu chỉ xét đến tạp âm trắng chuẩn cộng tính (AWGN) thì trải phổkhông có ưu điểm làm giảm tạp âm trắng AWGN Song điều này không làmảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống bởi vì tạp âm AWGN phân bố

đồng đều và rộng vô hạn trên cả dải tần với mức công suất tín hiệu nhiễu khánhỏ Tuy nhiên, đối với nhiễu cố ý thì trải phổ có hiệu năng tương đối cao.Điều này đã thoả mãn được điều kiện ban đầu khi đề xuất ra ý tưởng trải phổtín hiệu.

Để hiểu rõ được hệ thống thông tin trải phổ có khả năng chống nhiễu

cố ý như thế nào, trước tiên ta cần phải hiểu rõ các phương thức gây nhiễumột hệ thống thông tin ra sao Việc gây nhiễu hệ thống thông tin có thể thựchiện theo 2 cách sau:

- Gây nhiễu toàn bộ băng tần tín hiệu của hệ thống Khi thực hiệnphương pháp này thì mỗi toạ độ tín hiệu chỉ bị gây nhiễu với một mức nănglượng đồng đều và công suất tín hiệu nhiễu không cao

- Gây nhiễu một số toạ độ tín hiệu hoặc là gây nhiễu toàn bộ dải tầntín hiệu nhưng công suất nhiễu ở các toạ độ khác nhau Khi đó công suất tínhiệu nhiễu tại một toạ độ có thể đạt được khá lớn

Nhìn chung cả hai phương pháp trên đều khá hiệu quả đối với các hệ thốngthông tin thông thường

a Tín hiệu chưa trải phổ

b Tín hiệu sau trải phổ

c Tín hiệu bị gây nhiễu theo cách thứ 2

d Tín hiệu sau giải trải phổ

Hình 2-2 Ảnh hưởng của nhiễu cố ý đến hệ thống thông tin trải phổ.

Đối với các hệ thống thông tin trải phổ, do phổ của tín hiệu được trải rarất rộng cho nên việc gây nhiễu theo phướng án thứ nhất thì năng lượng tạimỗi tọa độ tín hiệu rất nhỏ, khó có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệthống Một điều khác biệt nhất của hệ thống thông tin trải phổ so với các hệthống thông tin thông thường là: với cách gây nhiễu chọn lọc theo toạ độ thìtại máy thu chỉ có tín hiệu trải phổ mới tương quan với mã trải phổ và đượckhôi phục lại còn các tín hiệu nhiễu tuy có mức công suất khá lớn nhưng khi

đó sẽ biến thành dạng tương tự như tạp âm AWGN và công suất khá nhỏ Quátrình này được minh hoạ trong hình 2-2

Như vậy ta nhận thấy rằng, bằng việc trải phổ tín hiệu thì tác động củanhiễu cố ý bị giảm đi đáng kể

b Khả năng bảo mật

Song song với việc chống nhiễu cho các hệ thống thông tin thì bảo đảmtính bí mật của một hệ thống thông tin cũng là một vấn đề quan trọng Việcbảo đảm tính bí mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Một trongnhững yếu tố phải kể đến đó là mật độ năng lượng của tín hiệu Để tăng tínhbảo mật của hệ thống, tăng khả năng chống bị phát hiện và thu trộm thì nănglượng tín hiệu phát đi phải rất thấp Thế nhưng mật độ năng lượng của tínhiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N thấp theo, điều này đồng nghĩa vớichất lượng của hệ thống giảm

Vấn đề này chỉ được giải quyết một cách hết sức hiệu quả khi hệ thốngthông tin trải phổ ra đời Trong hệ thống trải phổ như đã được giới thiệu, phổcủa tín hiệu được trải ra trên một băng tần rất rộng do đó mật độ năng lượngcủa tín hiệu khá thấp (người ta đã chứng minh được mật độ năng lượng củatín hiệu trải phổ có thể thấp hơn tạp âm AWGN) và như vậy tín hiệu bị chìmtrong tạp âm nên khó có thể phát hiện được Tuy nhiên, phổ của tín hiệu lạiđược khôi phục nhờ việc giải trải phổ bằng mã trải phổ do đó tỷ số tín hiệutrên tạp âm vẫn được bảo đảm

c.Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access)

Khi hình thành ý tưởng trải phổ tín hiệu, người ta chỉ mong muốn vớimục đích chống nhiễu và bảo mật cho hệ thống thông tin Tuy nhiên sau nàyngười ta còn phát hiện ra một khả năng to lớn của trải phổ là khả năng đa truynhập của hệ thống Đây không chỉ là một ưu điểm thực sự hấp dẫn cho thôngtin quân sự mà đặc biệt trong thông tin thương mại Trước đây đối với mộtbăng tần nhất định, thì ta chỉ có thể đáp ứng cho một số lượng hạn chế người

25

sử dụng Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt lý thuyết ta có thể đáp ứng chomột số lượng người sử dụng rất lớn bằng cách phân phối cho mỗi đối tượngmột mã trải phổ riêng biệt có độ tương quan chéo thấp so với các mã củanhững người khác Tại phía thu, bằng việc sử dụng tín hiệu mã của chính phíaphát, chỉ có tín hiệu phát đi chủ định mới được nén phổ, còn các tín hiệu phátcho những người sử dụng khác vẫn là tín hiệu phổ rộng Vì vậy trong phạm vibằng tần thông tin, công suất phát của người sử dụng chủ định sẽ lớn hơncông suất nhiễu với điều kiện số nguồn nhiễu không quá lớn.

2.2.3 Phân loại kỹ thuật trải phổ

Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế người ta phân loại kỹthuật trải phổ như sau:

 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence)

 Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping)

 Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping)

 Trải phổ lai ghép: FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH

a Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence)

Hệ thống trải phổ DS/SS đạt được trải phổ bằng cách nhân trực tiếp tínhiệu mang thông tin với tín hiệu giả ngẫu nhiên Ở hệ thống này nhiều người

sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời.Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy tín hiệu mong muốnbằng cách giải trải phổ Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệthống thông tin trải phổ vì chúng có dạng tương đối đơn giản và không yêucầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổ hợp tần số cao

Hình 2-3 Trải phổ chuỗi trực tiếp.

b Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping)

Hệ thống trải phổ nhảy tần thực chất là sự chuyển đổi sóng mang ở mộttập hợp các tần số được chọn theo mã Thành phần cơ bản của hệ thống là bộtạo mã PN và bộ tổ hợp tần số Trong trải phổ nhảy tần độ rộng băng kênh sẵn

có W được chia nhỏ thành một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau.

Trong bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu được truyền đều chiếmmột (hay nhiều hơn một) khe tần số nói trên Việc chọn khe (hay các khe) tần

số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu được thực hiện mộtcách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN Tốc độ nhảytần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu Trong trường hợp thứ nhất gọi

là nhảy tần nhanh và trong truờng hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm

Tc 2Tc

Hình 2-4 Trải phổ nhảy tần.

c Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping)

Nguyên lý của hệ thống này là toàn bộ dữ liệu của người dùng không

được phát liên tục mà được phát trong một khe thời gian thay cho M khe thời

27

gian như trong các hệ thống thông tin thông thường khác Trong thời gianphát, người sử dụng dùng toàn bộ băng tần để phát dữ liệu của mình và băng

tần ấy gấp M lần so với băng tần khi phát trong M khe thời gian Nếu có sự

đồng bộ giữa các người dùng và tại một khe chỉ đảm bảo cho một người dùngphát thì hệ thống TH/CDMA sẽ suy giảm thành hệ thống TDMA nhưng khethời gian người dùng phát không cố định trong từng khung

đa số các trường hợp sử dụng các hệ thống kết hợp như: FH/DS, TH/FH vàTH/DS

Ví dụ như khi ta kết hợp hai hệ thống trải phổ DS và FH thì ta đượcmột hệ thống lai có ưu điểm: chống nhiễu đa đường tốt và chống nhiễu gần xatốt

T¹o m·

PN

§ång bé m·

T¹o m·

PN

Bé tæng hîp tÇn sè

T¹o m·

PN

§ång bé m·

T¹o m·

PN

Gi¶i ®iÒu chÕ

D÷ liÖu

vµo

D÷ liÖu ra

Hình 2-6 Hệ thống trải phổ kết hợp DS/FH.

2.3 CÁC CHUỖI TRẢI PHỔ

Các tín hiệu trải phổ băng rộng tựa tạp âm được tạo ra bằng cách sửdụng các chuỗi mã giả tạp âm hay giả ngẫu nhiên PN Trong các hệ thống trảiphổ chuỗi trực tiếp, dạng sóng của trải phổ giả tạp âm là một hàm thời giancủa một chuỗi PN Và trong các hệ thống trải phổ nhảy tần các mẫu nhảy tần

có thể được tạo ra từ một mã PN Các chuỗi PN phải được tạo ra một cách xácđịnh nếu không sẽ không thể trao đổi thông tin hữu ích bên cạnh đó các chuỗinày được thiết kế có biểu hiện giống như các chuỗi ngẫu nhiên đối với ngườiquan sát bình thường

Hơn thế nữa, hệ thống CDMA chịu ảnh hưởng rất nghiêm trọng củanhiễu đa truy nhập MAI do các thuộc tính tương quan chéo của các mã trải sửdụng thường không hoàn hảo Vì vậy, với các máy thu CDMA thì việc thiết

kế các chuỗi trải phổ là hết sức quan trọng và góp phần vào việc nâng caochất lượng của hệ thống

2.3.1 Thuộc tính tương quan của chuỗi trải phổ

Hàm tự tương quan ACL (Auto - Correlation) của một chuỗi trải:

)*

( mod ) ( 1

) ( )

Q i q Q

i

k i

c(k)*: liên hợp phức của c(k)

Q : chiều dài của chuỗi

Hàm tương quan chéo CCL (Cross - Correlation)của hai dãy trải c(j) và

c(k)

:

)*

( ) ( 1

) ( )

i q Q

i

k i

Sidelnikov đã phát biểu rằng với một chuỗi nhị phân có chu kỳ là Q thì:

Một lớp chuỗi PN quan trọng nhất là các chuỗi ghi dịch nhị phân có độ

dài cực đại hay còn gọi là các chuỗi m Các chuỗi m nhị phân được tạo ra

bằng cách sử dụng các mạch có bộ ghi dịch phản hồi tuyến tính kết hợp vớicác cổng hoặc tuyệt đối Một chuỗi ghi dịch tuyến tính được xác định bởi một

đa thức sinh tuyến tính g(x) có bậc m > 0 như sau:

g x g x

với g(x) không thể phân chia thành tích của các đa thức có bậc nhỏ hơn Dãy

m này có một chu kỳ Q=2 m – 1, trong đó m là bậc của đa thức sinh Một trong

những thuộc tính của các dãy m đó là:

Rkk(0) = QRkk(q) = -1 với q  0

Rõ ràng, khi chuỗi này hoàn toàn được gióng thẳng hàng với chính nótương ứng với một khoảng dịch của chip q = 0 thì Q là số các số hạng +1trong tổng tự tương quan trong công thức (2.2) Khi q  0 tổng này luôn luônbao gồm các số hạng là –1 và +1 trong đó số các số hạng –1 nhiều hơn số các

số hạng +1 là một số Thuộc tính ACL gần lý tưởng cho sự thu nhận mã hoặcđồng bộ, ở đây điều kiện gióng thời gian là hoàn hảo (q = 0) giữa các chuỗithu được và các chuỗi được lưu trữ Trong thông tin đa người dùng, với một

số lượng lớn các chuỗi trải cần phải có giá trị CCL thấp Tuy nhiên, các chuỗi

m không thoả mãn được điều kiện này do giá trị tương quan chéo giữa hai

chuỗi lớn

b Chuỗi Gold

Dãy Gold là dãy được xây dựng từ hai dãy m đó là x và y có chiều

dài Q Năm 1967, Gold đã chứng minh rằng, với một cặp chuỗi m có chiều

dài Q chỉ có thể có 3 giá trị tương quan chéo (CCL) Chu kỳ của chuỗi Goldđược xây dựng từ hai chuỗi xvà y cũng có chiều dài là Q Mỗi chuỗi Goldtrong tập hợp được xây dựng bằng cách lấy tổng modul 2 của x và dịch vòng

31

của y Tập hợp này cũng bao gồm cả chuỗi m là x và y Toàn bộ tập hợp của chuỗi Gold có chu kỳ Q được viết như sau:

x y x y x T y x T y x T y

g

) 1 ( 2

, ,

0 khi

khi Q

) (

2,

R

m t m t

Để tính toán các giá trị tương quan, các bit 0 và 1 được ánh xạ thành +1

và –1 tương ứng Từ các giá trị tương quan cho ta thấy giá trị tương quan lớnnhất của tập hợp chuỗi Gold là: Rmax = t(m)

b Chuỗi Kasami

Với x là một chuỗi m có chu kỳ Q Chuỗi y được thiết lập bằng cáchlấy mẫu một cách có định kỳ chuỗi x, và được kí hiệu là y=x [s(m)], với s(m) = 2m/2 + 1 Ở đây thuộc tính lấy mẫu của chuỗi m theo n > 0 được hiểu

như sau: cứ n bit mẫu x mã hoá một lần và được kí hiệu là x[n] Đa thứcsinh của x có bậc m và chuỗi x có chu kỳ

Q = 2m – 1 Ở đây, chuỗi Kasami chỉ được xây dựng với các giá trị m chẵn.

Chuỗi y được thiết lập có chu kỳ ngắn hơn và bằng:

   

0 khi

khi Q

) (

2,

,1

R

m s m s

Tổng số các chuỗi trong tập này là K = 2m/2, thấp hơn so với chuỗi m và

chuỗi Gold Rõ ràng việc lấy mẫu một cách có định kỳ đã làm giảm số lượngcủa chuỗi trong tập hợp Ví dụ, với cùng chu kỳ Q = 63 thì chuỗi Gold có K =

65 còn chuỗi Kasami có K = 8 Mặc dù vậy, các giá trị CCL của chuỗiKasami lại giảm hơn so với chuỗi Gold và Rmax của chuỗi Kasami cũng gầnvới giới hạn dưới theo hai tiêu chuẩn ở trên, điều đó đã chứng minh chấtlượng của chuỗi Kasami tốt hơn so với chuỗi Gold

1 1

2 2

2 2

2

n n

n n

n

H H

H H

H

- Tích vô hướng của hai hàng hoặc hai cột bất kỳ bằng 0

Với 3 đặc điểm trên thì các dãy Walsh luôn trực giao với nhau Vì vậytrong tại đầu thu của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp, ta sử dụng biện phápnhân mã Walsh của người sử dụng mong muốn với tất cả các tín hiệu cuảngười dùng khác trong cùng hệ thống khi đó chỉ có tín hiệu của người dùngmong muốn được khôi phục còn các tín hiệu khác sẽ bị triệt tiêu

2.4 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP

2.4.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spectrum Spreading)

Nguyên lý của trải phổ chuỗi trưc tiếp DS/SS có thể trình bày như sau:

33

Gọi chuỗi dữ liệu cần được phát đi là s(t) có tốc độ R (b/s) và chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên hay giả tạp PN là chuỗi chip c(t), (c(t) = ±1) có tốc độ Rc (b/s) lớn hơn rất nhiều lần tốc độ chuỗi dữ liệu s(t) Chu i tín hi u b ng g cỗi tín hiệu băng gốc ệu băng gốc ăng gốc ốcphát sau tr i ph l :ải phổ là: ổ là: à:

Do chuỗi trải phổ có tốc độ lớn hơn rất nhiều tốc độ của chuỗi dữ liệu,

phổ của c(t) là C( f ) có độ rộng băng lớn hơn rất nhiều so với của chuỗi dữ liệu, vì vậy độ rộng băng của tín hiệu phát đi (bề rộng phổ chiếm của R1(f)), là tổng độ rộng băng của c(t) và s(t), sẽ rộng hơn độ rộng băng của s(t) rất nhiều lần s(t) do vậy đã được trải rộng về phổ với mật độ phổ rất thấp

Ở máy thu, tín hiệu thu được được giải trải phổ bằng cách nhân máy thu, tín hi u thu ệu băng gốc được được giải trải phổ bằng cách nhân được được giải trải phổ bằng cách nhânc c gi i tr i ph b ng cách nhânải phổ là: ải phổ là: ổ là: ằng cách nhân

v i chu i chip gi i tr i l m t b n sao ỗi tín hiệu băng gốc ải phổ là: ải phổ là: à: ột bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ở ải phổ là: đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ởng b v i chu i chip tr i ph ột bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ở ỗi tín hiệu băng gốc ải phổ là: ổ là: ở

ph n phát để thu lại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi Bỏ qua tác động của thu l i tín hi u d li u ã truy n i B qua tác ại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi Bỏ qua tác động của ệu băng gốc ữ liệu đã truyền đi Bỏ qua tác động của ệu băng gốc đ ền đi Bỏ qua tác động của đ ỏ qua tác động của đột bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ởng c aủa

t p âm nhi t tr ng chu n c ng tính, xét b ng t n g c, tín hi u sau gi iại tín hiệu dữ liệu đã truyền đi Bỏ qua tác động của ệu băng gốc ắng chuẩn cộng tính, xét ở băng tần gốc, tín hiệu sau giải ẩn cộng tính, xét ở băng tần gốc, tín hiệu sau giải ột bản sao đồng bộ với chuỗi chip trải phổ ở ở ăng gốc ốc ệu băng gốc ải phổ là:

tr i ph l :ải phổ là: ổ là: à:

) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (t c t s t c t c t s t

t

b )( (2.17)

Trong đó b k =  1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung (tốc độ số

liệu là 1/T bit/s) Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng tín hiệu PN c(t) bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sau đó sẽ được

điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS - BPSK xácđịnh theo công thức:

s t Ab   t .c t cos2 f c t  (2.18)

Trong đó A là biên độ, f c tần số sóng mang,  là pha của sóng mang.Trong rất nhiều ứng dụng, một bít bằng một chu kỳ của tín hiệu PN, nghĩa là

T=NT c

Trong trường hợp hình 2.7 ta sử dụng N=7 Ta có thể thấy rằng tích

của b(t).c(t) cũng là một tín hiệu cơ số hai có biên độ là 1, có cùng tần số

với tín hiệu PN

35

Bản tin cơ số hai

Bộ điều chế PBSK

b Máy thu DS/SS - BPSK

Mục đích của máy thu là lấy ra bản tin b(t) (số liệu {b i} từ tín hiệu thuđược bao gồm cả tín hiệu được phát cộng với tạp âm) Do tồn tại trễ truyềnlan  nên tín hiệu thu được là:

st Abt  c t cos2 f ct  'n t (2.19)

Trong đó n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu Để mô tả lại quátrình khôi phục lại bản tin ta giả thiết không có tạp âm Trước hết tín hiệuđược giải trải phổ để đưa từ băng tần rộng về băng tần hẹp sau đó nó đượcgiải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc Để giải trải phổ, tín hiệu thuđược nhân với tín hiệu (đồng bộ) PNct  được tạo ra ở máy thu Vì

Hình 2-7 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK

w t Abt  c2 t cos2 f c t  'Abt cos2 f c t  '

(2.20)trong đó  '    2 f c Tín hiệu nhận được là một tín hiệu băng hẹp với độrộng băng tần là 2 T Để giải điều chế ta giả thiết rằng máy thu biết được pha

Hình 2-8 Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK.

Tín hiệu PN đóng vai trò như một mã đã biết trước ở máy thu chủ định

do đó nó có thể khôi phục bản tin, còn với các máy thu khác thì nhìn thấy một

tín hiệu ngẫu nhiên 1

Để máy thu có thể khôi phục được bản tin thì máy thu phải đồng bộ với

tín hiệu thu được Quá trình xác định được  là quá trình đồng bộ, thường

được thực hiện hai bước bắt và bám Quá trình nhận được t i được gọi là quá

Bộ tạo tín hiệu

PN nội

s(t  ) Ab(t  )c(t  )

) 2

trình khôi phục đồng hồ (định thời) (STR Symbol Timing Recovery) Quátrình nhận được '

 (cũng như f c) là quá trình khôi phục sóng mang

c Mật độ phổ công suất

Xét mật độ phổ công suất PSD của các tín hiệu ở các điểm khác nhautrong máy phát và máy thu Giả sử mô hình bản tin và tín hiệu PN như là cáctín hiệu cơ số hai ngẫu nhiên (mỗi bit hay chip nhận các giá trị +1 hoặc -1 vớixác suất như nhau) Bản tin (với biên độ 1) có tốc độ bit 1 T bit/s và PSD

Ta thấy rằng w f bây giờ có PSD băng hẹp với cùng dạng phổ như

Đối với hệ thống DS/SS - BPSK, độ lợi xử lý 2T c2 TT T c N

Giả sử N=1023, độ rộng bản tin của bản tin điều chế tăng 1023 lần bởi quá



cT

1

  1 T 1 T  1 Tc f

a PDS của bản tin và tín hiệu PN

  fs