Trong quá trình hiện đại hóa mạng lưới viễn thông thì thông tin di động đã đáp ứng được nhu cầu của một xã hội phát triển, hàng loạt kỹ thuật công nghệ ra đời như kỹ thuật FDMA, TDMA, CDMA, và giao thức ứng dụng không dãy (WAP). Mỗi kỹ thuật công nghệ có ưu nhược điểm riêng nhưng công nghệ CDMA có nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ khác có thể đáp ứng được dung lượng lớn, chuyển giao mềm, điều khiển công suất nhanh có tính bảo mật cao. Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới. Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông tin lớn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuê bao đã truy cập lớn hơn nhiều. Nhờ dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động gây nhiễu và bảo mật tín hiệu. Các mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA có thể đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai. Do đó, việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
Khoa Điện Tử Viễn Thông
BÁO CÁO MÔN HỌC
Đề Tài:
PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP CDMA Giáo viên hướng dẫn:
Nhóm 4:
Trang 2MỤC LỤC
Mở đầu.
Phần I TỔNG QUAN VỀ CDMA.
1. Tổng Quan.
1.1 Nguồn gốc.
1.2 CDMA là gì ?
1.3 Đa truy nhập là gì?
2. Đặc tính của CDMA.
3. Phân Loại phương pháp.
4. Nguyên Lý.
Phần II Ưu điểm và nhược điểm của CDMA.
1. Ưu điểm.
2. Nhược điểm.
Phần III Ứng dụng của CDMA.
Trang 3
LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN BỘ MÔN
Chữ ký giáo viên bộ môn
Hà Nội, Ngày Tháng Năm
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Bước vào thế kỷ 21, Kỷ nguyên của xã hội thông tin, các quốc gia trên thế giới đang tập trung sức lực và tiềm năng của mình cho ngành công nghiệp viễn thông nhằm dành được thế cạnh tranh trong lĩnh vực này và đồng thời tìm mọi cách để không bị tụt hậu trong xã hội được gọi là xã hội thông tin này
Với chiến lược phát triển là đi thằng vào công nghệ hiện đại, trong những năm qua ngành viễn thông Việt Nam đã cơ bản hoàn thành việc số hóa mạng lưới viễn thông tạo điều kiện dễ dàng cho sự hòa nhập tin học với viễn thông và góp phần không nhỏ cho sự phát triển kinh tế - xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước Trong quá trình hiện đại hóa mạng lưới viễn thông thì thông tin di động đã đáp ứng được nhu cầu của một xã hội phát triển, hàng loạt kỹ thuật công nghệ ra đời như kỹ thuật FDMA, TDMA, CDMA, và giao thức ứng dụng không dãy (WAP) Mỗi kỹ thuật công nghệ có ưu nhược điểm riêng nhưng công nghệ CDMA có nhiều
ưu điểm vượt trội so với công nghệ khác có thể đáp ứng được dung lượng lớn, chuyển giao mềm, điều khiển công suất nhanh có tính bảo mật cao Và công nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới
Công nghệ CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ đã đạt được hiệu quả sử dụng dải thông tin lớn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuê bao đã truy cập lớn hơn nhiều Nhờ dãn rộng phổ tín hiệu mà có thể chống lại được các tác động gây nhiễu và bảo mật tín hiệu Các mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA có thể đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động trong tương lai Do đó, việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu
Ngoài phương pháp trải phổ trực tiếp (DSSS), kỹ thuật đa truy nhập dựa trên công nghệ trải còn một số ký thuật khác gọi là trải phổ nhảy tần (FHSS –
frequency hopping SS) và trải phổ nhảy thời gian (THSS – time hopping SS)
nhưng không hiệu quả cao như DSSS Hệ thống CDMA chỉ sử dụng kỹ thuật trải phổ DSSS
Trang 5Phần I: Tổng quan về CDMA
1. Tổng quan:
1.1 Nguồn gốc:
được áp dụng trong thông tin quân sự từ năm 1960 cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin vào năm
1980 CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GRS và ommi - Tracs, phương pháp này được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qual Comm - Mỹ vào năm 1990
1.2 CDMA là gì:
- CDMA viết đầy đủ là Code Division Multiple Access nghĩa là Đa
truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã Nên trước khi tìm hiểu khái niệm CDMA, trước hết hãy xem xét khái niệm đa truy nhập trong hệ thống thông tin di động
Hình 1: Hệ thống điện thoại di động
Trung tâm chuyên mạch điện thoại di động 1
Trung tâm chuyên mạch điện thoại di động 1
PSTN Mạng điện thoại công cộng
Trang 6- Mô hình hệ thống CDMA:
FDMA: Đa truy cập theo tần số, phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau
TDMA: Đa truy cập theo thời gian, phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau
CDMA: Đa truy cập theo mã, phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau
PDMA: Đa truy cập theo cực tính, phục vụ các cuộc gọi theo sự phân cực khác của sóng vô tuyến
SDMA: Đa truy cập theo không gian, phục vụ các cuộc gọi theo định hướng búp sóng đẹp
Hình 2: Mô hình mạng.
Mỗi sự ra đời của một mạng di động đều có những mô hình riêng, thậm chí trong cùng một thế hệ cũng có sự cải tiến cho những mạng di động sử dụng công nghệ CDMA đều đưa ra những tiêu chuẩn mới và tốt hơn Do đó, sẽ xuất hiện những mô hình mạng đi liền với những tiêu chuẩn đó
1.3 Đa truy nhập là gì?
- Đa truy nhập là phương pháp dùng một trạm gốc phục vụ cho nhiều thuê bao di động Hay cũng có thể nói đa truy nhập là cách thức để nhiều người sử dụng có thể sử dụng chung trên một kênh
mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau
hiện nay còn có cả phương pháp phân tách kênh theo bước sóng:
WDMA, nhưng về bản chất có thể coi nó gần nh là FDMA)
Trang 72. Đặc tính của CDMA.
2.1 Tính đa dạng của phẩn tập:
Phân tập là 1 hình thức tốt để làm giảm pha đinh : Có 3 loại phân tập:
• Phân tập theo thời gian
• Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 Mhz
2.2 Điều khiển công suất CDMA:
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (Từ BTS đến máy di động và ngược lại) Mục đích điều khiển công suất phát của máy di động để cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể thu được với độ nhậy trung bình tại bộ thu của BS Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu thu từ máy
di động tương ứng thành thông tin số băng hẹp còn tín hiệu của các máy di động khác chỉ còn là tín hiệu tạp âm của băng rộng
2.3 Bộ mã - Giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi:
Do sự tách biệt tần số 45 MHz giữa kênh hướng đi và hướng về vượt quá dải thông liên kết của các kênh nên máy di động được giả thiết là các giá trị của tổn hao hai đa đường dẫn giống nhau, do không có khả năng đo suy hao đường dẫn hướng về mặc dù có 1 chênh lệch giữa suy hao đa đường trên kênh hướng đi để đo ở máy di động và suy hao
đa đường của kênh hướng về Phương pháp đo này cung cấp giá trị trung bình chính xác cho công suất phát nhưng 1 phương pháp phụ được cần tới để tính toán giao thoa Rayleigh chỉ ra các tính chất khác nhau trên 2 kênh
2.4 Điều khiển công suất mạch vòng kín trên kênh hướng về của CDMA:
Các tín hiệu công suất phát được điều khiển bởi thông tin điều khiển phát đi từ trạm gốc Khi xảy ra sự suy giảm đáng kể trên kênh hướng
đi trong một vùng nhất định và nếu công suất phát không tăng lên thì chất lượng thoại của các cuộc gọi qua kênh này giảm xuống dưới tiêu chuẩn chất lượng Để điều khiển công suất trên kênh hướng đi trạm gốc giảm theo chu kỳ công suất phát ra tới máy di động, giảm công suất ra như vậy duy trì cho đến khi các máy di động yêu cầu công suất ra bổ xung nhờ dò thấy tăng tỷ lệ lỗi khung và trạm gốc tăng công suất phát ra với số gia 0,5 db Sự tăng giảm công suất ra
Trang 8được thực hiện một lần cho mỗi khung mỗi tiếng nói tức là cứ trung bình 12 đến 20 ms chậm hơn tốc độ tăng hay giảm công suất ra trên kênh hướng vùng động tăng hay giảm công suất ra có thể điều khiển tới +6,-6 db xung quanh công suất ra trung bình
2.5 Bảo mật cuộc gọi:
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao và về cơ bản tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìn kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA vì tín hiệu đã được trộn ( Seranbling ) Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo mật cuộc gọi được định rõ trong CIA/TIA/SI-54-B Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác
3. Phân Loại phương pháp.
3.1 Khái niệm về trải phổ:
- CDMA là hệ thống đa truy nhập theo mã dùa trên kỹ thuật điều
chế trải phổ, các thuê bao sử dụng chung tần số và thời gian và được phân biệt nhau bằng một mã duy nhất gọi là mã trải phổ (hay
dãy tạp âm giả ngẫu nhiên PN) để trải phổ Mã trải phổ này có tốc
độ cao hơn nhiều so với tốc độ của tín hiệu thông tin cần truyền đi
Do vậy sau khi nhân với tín hiệu thông tin với mã trải phổ thì phổ tần được trải rộng ra lớn hơn nhiều so với phổ tần của tín hiệu thông tin Phương pháp này làm cho năng lượng tín hiệu cần truyền được dàn trải trên toàn bộ băng tần trải phổ lớn hơn nhiều băng thông cần thiết để truyền thông tin Do vậy tại đầu ra của bộ điều chế phía phát tín hiệu có phổ rộng hơn nhiều lần tín hiệu thông tin đồng thời có mật độ phổ công suất thấp Tại phía thu chỉ
có những máythu có hàm tương quan trực giao giữa tín hiệu thu được với bản sao chính xác của tín hiệu trải phổ phía phát mới có khả năng giải điều chế và thu được tín hiệu thông tin cần thiết Như vậy trong hệ thống này mỗi thuê bao có mã riêng và việc thu nhận tín hiệu chỉ được thực hiện khi có mã tương quan phù hợp
- Có bốn kỹ thuật trải phổ cơ bản là: Trải phổ dãy trực tiếp (DS: Directed Sequence), trải phổ nhảy tần (FH: Frequency Hopping),
Trang 9hệ thống dịch thời gian (TH:Time Hopping) và hệ thống lai
(Hybrid)
• Trải phổ dãy trực tiếp: tín hiệu mang thông tin được nhân
trực tiếp mã trải phổ tốc độ cao
• Trải phổ nhảy tần: Mã trải phổ điều khiển bộ tạo dao động
sóng mang làm tần số sóng mang thay đổi tại sau đó sóng
mang này lại được điều chế với dữ liệu
• Trải phổ dịch thời gian: Trong kỹ thuật này, dữ liệu có tốc
độ dòng bit không đổi R được phân phối khoảng thời gian
truyền dẫn dài hơn thời gian cần thiết để truyền đi dòng tin
này bằng cách truyền dẫn thông thường Dòng bit số được
gửi đi theo sự điều khiển của mã nhảy thời gian Vì vậy có
thể nói dòng bít đã bị trải ra theo thời gian và phía thu bất
hợp pháp không thể biết tập con dữ liệu nào đang được sử
dụng
- Hệ thống lai: Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế
hybrid của hệ thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm
các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ thống Thông thường
đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm (1)
FH/DS, (2) TH/FH và (3) TH/DS Các hệ thống tổng hợp của hai
hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ
thống không thể có được Một mạch không cần phức tạp lắm có
thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước
Bộ giải mã kênh
Bộ giải điều chế
Bộ mã hóa
kênh
Bộ điều chế
Kênh
Dãy tín hiệu ra Dãy tín hiệu
ngẫu nhiên
Bộ tạo mẫu giả ngẫu nhiên
Trang 10Hình 3: Hệ thống thông tin trải phổ
3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS:
Direct Sequence Spread Spectrum)
- Hệ thống DS (nói chính xác là sự điều chế các dãy mã đã được
điều chế thành dạng sóng điều chế trực tiếp) là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ Chúng có dạng tương đối đơn giản vì chúng không yêu cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổng hợp tần số cao
- Trong hệ thống trải phổ này, tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã trải phổ, sau đó tín hiệu được điều chế sóng mang băng rộng
- Máy thu thường sử dụng giải điều chế nhất quán để nén tín hiệu trải phổ, và sử dụng mã trải phổ nội bộ được đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu được Điều này được đồng bộ bởi khối bám và đồng bộ mã
- Sau khi nén phổ nhận được tín hiệu dữ liệu đã điều chế, và sau khi
qua bộ giải điều chế tín hiệu (thường là giải điều chế PSK) ta có
được dữ liệu ban đầu
3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ( FH – SS:
Frequency Hopping Spread Spectrum)
- Kỹ thuật trải phổ nhảy tần là kỹ thuật trong đó có sử dụng một bộ phát mã PN để điều khiển bộ tổng hợp tần số Hệ thống FH được coi như là việc điều chế gián tiếp vào mã trải phổ Hệ thống FH sẽ tạo ra hiệu quả của việc trải phổ bằng cách nhảy tần số giả ngẫu nhiên giữa các tần số vô tuyến f1, f2, f3 … Fn với n có thể rất lớn
- Trong hệ thống FH nwus tốc độ nhảy tần lớn hơn tốc độ của bit thông tin thì đượng gọi là hệ thống nhảy tần cao nhanh FFH (Fast Frequency Hopping)
Trang 11- Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ của bit thông tin thì được họi
là hệ thông nhảy tần số chậm SFH (Slow Frequency Hopping)
- Các hệ thống sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần đã được dùng rất lâu trong quân sự
3.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS:
Time Hopping Spread Spectrum ):
- Trục thời gian được chia thành các khung (frame) Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot) Trong một khung, tùy theo
mã của từng user mà nó sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần
4. Nguyên lý của CDMA:
- CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi
Những người sử dụng nói trên được phần biệt lần nhau nhờ một
mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1,23 MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) 1,2288 MHz Dòng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ cắt Tốc
độ này chính là tốc độ mã đầu ra (mã trải phổ ngẫu nhiên, PN-PseudoNoise: giả tạp âm) của máy phát PN
- Để nén phổ trở lại dữ liệu gốc thì máy thi phải dùng mã phổ PN chính xác như tín hiệu được xử lý ở máy phát Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ở may phát thì tin tức không thể thu nhận được
- Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dải tần rất rộng hơn phổ gốc của tín hiệu gốc Ở phía thu, phổ tín hiệu lại được trở lại về phổ của tín hiệu gốc
T/L
T
Phổ tín hiệu đã phát
Máy phát dùng mã PN để trải phổ
Trang 12
Hình 3: Phổ trong quá trình phát và thu CDMA
Phần II Ưu điểm và nhược điểm của CDMA.
1. Ưu điểm:
1.1 CDMA:
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ nên tính bảo mật cao
Phổ tin tức
Trải phổ
0
T/L
Phổ tín hiệu đã phát
Nén phổ
Fc+T/L
Fc
Trang 13- Dung lượng hệ thống lớn do MS (mobile station) phân biệt nhau bằng các mã PN (pin code)
- Chất lượng thoại tốt hơn
- Đáp ứng được các dịch vụ truyền dữ liệu, video
- Cần ít trạm thu phát gốc BTS hơn so với GSM
- Điều khiển công suất
1.2 Điều chế trải phổ trực tiếp:
- Mã hoá dữ liệu đơn giản có thể chỉ thực hiện bằng một bộ nhân
- Bộ tạo sóng mang đơn giản do chỉ có một sóng mang được phát đi
- Có thể thực hiện giải điều chế nhất quán tín hiệu trải phổ
1.3 Điều chế nhảy tần:
Với FH-CDMA việc đồng bộ được thực hiện trong từng khoảng
thời gian bước nhẩy tần Vì việc trải phổ dành được không phải do
sử dụng tần số nhẩy tần rất cao mà do sử dụng một tổ hợp rất lớn các tần số nên thời gian bước nhẩy tần số lớn hơn nhiều so với
thời gian chip của hệ thống DS-CMA Do đó, FH-CDMA cho
phép một tỷ lệ lỗi đồng bộ lớn hơn
- Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là những băng tần lân cận nhau Kết hợp với ưu điểm dễ đồng bộ nên
FH-CMA cho phép làm việc với các băng tần trải phổ lớn hơn nhiều
so với DS-CDMA.
- 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.
2. Nhược điểm:
2.1 CDMA:
- Băng thông yêu cầu lớn
2.2 Điều chế trải phổ trực tiếp:
- Khó đồng bộ giữa tín hiệu mã nội bộ và tín hiệu thu