đề tài tìm hiểu Nguyên lý của CDMA

Nguyên lý của CDMA 1 Trang Lời nói đầu……………………………………………………………………… 1 1.1 Giới thiệu CDMA…………………………………………………………… 3 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật CDMA………………………………………… 8 1.3 Các thông số của CDMA ……………………………………………… 9 2.1 Kỹ thuật thông tin trải phổ………………….……………… ………………11 2.2 Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ……………………………….…15 2.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản…………………………………… ………16 2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp……………………17 2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số………………………19 2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian………………… 21 3. Máy thu Rake………………………………………….…………………….22 4.Điềukhiểncôngsuất……………………………………………… ……………23 4.1 Cở sở của điều khiển công suất…………………………………………… 23 4.2 Phân loại điều khiển công suất……………………………………………….26 5.Chuyển giao…………………………………………………………………….31 5.1 Mục đích của chuyển giao…………………………………………… ….31 5.1.2 Trình tự chuyển giao…………………………………………………….33 5.2 Chuyển giao mềm …………………………………………………………37 5.3 Chuyển giao cứng………………………………………………………….41 5.4 Tái phân bố……………………………………………………………… 43 5.5 Các chuyển giao liên hệ thống…………………………………………….47 Nguyên lý của CDMA 2 LỜI NÓI ĐẦU Thế kỷ XXI sẽ chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ thông tin vô tuyến. Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thông thông tin vô tuyến.Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các hệ thống analog dần được thay thế bằng các hệ thống số vì thế nó đã phục vụ tốt một phần cuộc sống hiện đại. Trong cuộc sống hiện nay với sự phát triển cao của khoa học kỹ thuật cùng với sự phát triển của kinh tế thì mạng hữu tuyến đang dần trở nên thiếu linh động và không thể đáp ứng hết những nhu cầu cao của con người.Vì thế các nhà phát triển công nghệ không dây đã cho ra đời hệ thống mới GSM.Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn nhiều han chế và không đáp ứng đủ nhu cầu của con người về :đa phương tiện, xem video trực tiếp trên các thiết bị di động….Do đó cần một mạng mới ra đời có đủ khả năng đáp ứng nhu cầu mà GSM chưa mang lại được .Hệ thống CDMA xuất hiện cũng là điều tất yếu . Công nghệ đa truy nhập CDMA được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ. Kỹ thuậttrải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này mới được nghiên cứu và áp dụng thành công trong các hệ thống tin vô tuyến tổ ong. Các phần tử cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên. Có thể coi rằng SolGolomb là người đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề này trong các công trình của ôngvào những năm 1950. Ý niệm đầu tiên về đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã (SSCDMA:Spread Spectrum Code Division Multiple Access) đã được R.Price và P.E.Green trình bầy trongbài báo của mình năm 1958. Vào đầu những năm 1970 rất nhiều bài báo đã chỉ ra rằng các hệ thống thông tin CDMA có thể đạt được dung lượng cao hơn các hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access).Các hệ thống trải phổ chuỗitrực tiếp đã được xây dựng vào những năm 1950. Thí dụ về các hệ thống đầu tiên là: ARC-50 củaMagnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55, USC-28. Trong các bài báo củamình (năm 1966) các tác giả J.W.Schwartz, W.J.M.Aein và J. Kaiser là những người đầu tiên sosánh các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA. Các thí dụ khác về các hệ thống quânsự sử dụng công nghệ CDMA là vệ tinh thông tin chiến thuật TATS và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Ở Mỹ các vấn đề về cạn kiệt dung lượng thông tin di động đã nẩy sinh từ những năm 1980.Tình trạng này đã tạo cơ hội cho các nhà Nguyên lý của CDMA 3 nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một phương án thông tin di độngsố mớí. Để tìm kiếm hệ thống thống tin di động số mới người ta nghiên cứu công nghệ đa thâmnhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ (CDMA). Được thành lập vào năm 1985, Qualcom,sau đó được gọi là "Thông tin Qualcom" (Qualcom Communications) đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Lúc đầucông nghệ này được đón nhận một cách dè dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗicuộc thọai đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thốngtrị ở Bắc Mỹ và nền tảng của thông tin di động thế hệ ba. Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMAđầu tiên được gọi là IS-95A. Hiện nay phiên bản mới IS-2000 và W-CDMA đã được đưa ra chohệ thống thông tin di động thứ 3. Trong lĩnh vực thông tin di động vệ tinh càng ngày càng nhiều hệ thống tiếp nhận sử dụng công nghệ CDMA.Các thí dụ cho việc sử dụng công nghệ này là: Hệ thống thông tin quỹ đạo thấp (LEO:Low Earth Orbit) Loral Qualcom Global Star sử dụng 48 vệ tinh.Hệ thống thông tin vệ tinh trung bình MEO (medium earth orbit) TRW sử dụng 12 vệ tinh. Một trong các hạn chế chính của công nghệ CDMA hiện nay là hiệu năng của chúng phụ thuộc vào nhiễu của người sử dụng cùng tần số,MUI(multi user interference).Đây là lý do dẫn tới giảm dung lượng và đòi hỏi phải điều khiển công suất nhanh.Các máy thu đa người sử dụng MUI (Multi User Derector) sẽ cho phép hệ thống CDMA mới dần khắc phục được vấn đề này và tỏ rõ ưu điểm vượt trội của nó. Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp em xin trình bày “các nguyên lý của công nghệ CDMA ”. Tuy nhiên do thời gian va kiến thức còn hạn chế vì thế không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của thầy cô để rút ra kinh nghiệm và hoàn thiện mình hơn . Em xin chân thành cảm ơn. Nguyên lý của CDMA 4 KỸ THUẬT CDMA 1.1 Giới thiệu Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Kỹ thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Vì thế, trong luận án này sẽ giới thiệu về nguyên lý CDMA. Trong thực tế, nhiều hệ thống sử dụng đồng thời một số kỹ thuật truy nhập Phần này giới thiệu bốn kỹ thuật như thế: • Đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency-division multiple access); • Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time-division multiple access); • Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code-division multiple access); • Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space-division multiple access) Hệ thống FDMA chia phổ tần khả dụng thành một số kênh tần số (Hình 1.1). Mỗi người sử dụng (khi tham gia một kết nối nào đó) được phân bổ hai kênh, một cho đường lên và một cho đường xuống. Phân bổ này là dành riêng, không có người sử dụng nào khác được phân bổ đến các kênh tần số này tại cùng thời điểm. Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ FDMA là: -Kỹ thuật AMPS với băng thông 30KHz -Kỹ thuật TACS với băng thông 25 KHz -Kỹ thuật NAMPS với băng thông 10KHz Nguyên lý của CDMA 5 Hình 1.1: Đa truy nhập phân chia tần số FDMA Trong một hệ thống TDMA (Hình 1.2), toàn bộ băng thông cung cấp được sử dụng bởi một người sử dụng, nhưng chỉ trong các khoảng thời gian ngắn tại một thời điểm. Kênh tần số được chia thành các khe thời gian, và chúng được định kỳ phân bổ cho người dùng để sao cho các người dùng khác nhau có thể sử dụng các khe thời gian khác nhau (trên cùng kênh tần số) một cách định kỳ. Đường lên và đường xuống cần được phân bổ các khe thời gian riêng biệt. GSM dựa trên công nghệ TDMA. Trong GSM, mỗi kênh tần số được chia thành nhiều khe thời gian (tám khe mỗi khung radio), và mỗi người dùng được phân bổ một (hoặc nhiều) khe (slot). Trong hệ thống TDMA, băng thông sử dụng của hệ thống thường được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn. Vì vậy, theo ý nghĩa đó, GSM thực ra là một hệ thống lai ghép FDMA/TDMA (như thể hiện trong Hình 1.3), cũng như hầu hết mạng 2G khác Nguyên lý của CDMA 6 Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia thời gian TDMA Hình 1.3: Kết hợp FDMA/ TDMA Nguyên lý của CDMA 7 Trong hệ thống CDMA tất cả người dùng cùng lúc chiếm cùng tần số, không có sắp xếp thời gian được áp dụng, và tín hiệu của họ được phân biệt bằng các mã đặc biệt (Hình 1.4). Mỗi người dùng được gán một mã, mà nó được áp dụng như là một điều chế thứ cấp, được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu của người dùng thành một dạng luồng dữ liệu được trải phổ bằng mã. Bên thu sau đó sử dụng chính mã trải phổ đó để chuyển đổi tín hiệu đã trải phổ trở lại thành dòng dữ liệu của người sử dụng ban đầu. Hình 1.4: Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các mã được lựa chọn sao cho chúng có mức độ tương quan chéo thấp với các mã khác. Điều này có nghĩa rằng, tương ứng với tín hiệu đã được trải phổ bằng mã đã được gán thì sẽ chỉ được giải trải bằng chính mã đó. Tất cả các tín hiệu khác vẫn bị trải rộng trên toàn bộ băng thông lớn. Đó là vì, chỉ người nhận có mã trải đúng mới có thể giải trải tín hiệu ban đầu từ tín hiệu trải phổ nhận được. Ngoài ra, cũng giống như trong các hệ thống TDMA, băng thông tổng được phân bổ có thể được chia thành một số kênh tần số nhỏ hơn. Nguyên lý trải phổ Nguyên lý của CDMA 8 CDMA này được vận dụng trong mỗi kênh tần số đó. Lược đồ này được sử dụng trong Mạng truy nhập vô tuyến lục địa UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) chế độ song công phân chia theo tần số (FDD - frequency-division duplex). Chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD - time-division duplex) sử dụng kết hợp các phương pháp CDMA, FDMA, TDMA, bởi vì mỗi khung vô tuyến còn được chia nhỏ hơn thành 15 khe thời gian. Có một số phương pháp được sử dụng để điều chế các tín hiệu CDMA. Ví dụ trong Hình 1.4 mô tả điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS direct-sequence spread spectrum). Với phương pháp này, tín hiệu được điều chế chiếm toàn bộ băng thông sóng mang trong toàn bộ thời gian. Các đề xuất điều chế khác bao gồm trải phổ nhảy tần số (FH-SS frequency-hopping spread spectrum), trải phổ nhảy thời gian (TH-SS time-hopping spread spectrum), và các kết hợp khác nhau của chúng. Tất cả những phương pháp này có các thuộc tính lợi thế của riêng mình. Hệ thống UTRAN 3GPP sử dụng điều chế DS-SS. Một hệ thống SDMA tái sử dụng tần số truyền trên các khoảng phù hợp về khoảng cách. Nếu khoảng cách giữa hai trạm gốc sử dụng cùng một tần số là đủ lớn, thì nhiễu mà chúng gây ra cho nhau là có thể chấp nhận được. Khoảng cách này càng nhỏ, dung lượng hệ thống càng lớn hơn. Do đó, các kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để tận dụng lợi thế của hiện tượng này. Phân chia sector (Sectorization) chia một ô thành "các ô nhánh - subcells" nhỏ hơn, và một số trong đó có thể tái sử dụng cùng tần số. Mỗi sector cung cấp vùng phủ sóng cố định. Ăng-ten thông minh có thể tạo nên các chùm điểm hẹp theo hướng mong muốn, điều đó làm tăng dung lượng của hệ thống hơn nữa. Hầu hết các hệ thống 2G kỹ thuật số sử dụng một số hình thức SDMA bên cạnh các kỹ thuật đã đề cập trên để nâng cao năng lực của hệ thống. Nguyên lý của CDMA 9 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán cho một chuỗi mã xác định, và tất cả các người dùng có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức. Hình 1.5: Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó (Hình 1.5). Ta có được kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo của các chuỗi mã trải phổ. Trong Hình 1.5, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ người dùng A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận được từ các người dùng không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu Nguyên lý của CDMA 10 từ A (do tính tương quan chéo thấp), và từ đó ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễ dàng. Trong Hình 1.5, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ người dùng A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận được từ các người dùng không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu từ A (do tính tương quan chéo thấp), và từ đó ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễ dàng. 1.3 Các Thông Số Của Công Nghệ CDMA - Dung lượng và các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng Trong CDMA 1 cell có m kênh thoại trong đó có 1 kênh là cuộc gọi đang xét, (m- 1) kênh còn lại đóng vai trò là can nhiễu cho cuộc gọi đang xét trên. Trong CDMA, quan trọng là tỷ số năng lượng (bit)trên công suất (hz):  /  .Tỷ số này quan hệ với tốc độ lỗi BER mà BER lại biểu thị chất lượng thoại. Phương trình cơ bản :   =         Trong đó : B: là băng thông của kênh vô tuyến CDMA.   : là tốc độ bit/s. B/  : là độ lợi xử lý của hệ thống.   /  : là mật độ phổ năng lượng trên mỗi bit hay tỷ lệ của phổ công suất nhiễu phụ thuộc vào phương pháp điều chế và mã hóa sử dụng. C: là công suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 1 máy di động. I: là công suất nhiễu. [...]... trạm gốc có thể lại tìm thấy sự 31 Nguyên lý của CDMA phục vụ Kết quả là bán kính tế bào dao động, mà đó là một tai ương trên một số mạng CDMA ban đầu 5 CHUYỂN GIAO Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải tổ chúc theo một cấu trúc địa lý nhất định để tiện cho việc kết nối mạng và thông tin liên lạc của UE cũng như cho việc theo dõi và quản lý thuê bao di động của nhà mạng Một phương... 34 Nguyên lý của CDMA truy nhập vô tuyến RNC Dữ liệu đo lường của UE có thể chia thành các nhóm sau : - Dữ liệu đo cùng tần số là dữ liệu đo cường độ tín hiệu cùng tần số của các kênh vật lý đường xuống - Dữ liệu đo ở các tần số khác nhau là dữ liệu đo cường độ tín hiệu có tần số khác nhau của các kênh vật lý đường xuống - Dữ liệu đo giữa các hệ thống bao gồm dữ liệu đo cường độ của các kênh vật lý. .. hoạt động trải phổ băm nhỏ dòng dữ liệu gốc thành các phần nhỏ hơn, mà chúng được gọi là các chip Hình 1.6: Nguyên lý trải phổ 12 Nguyên lý của CDMA Hinh1.7 : Nguyên lý giải trải phổ Mỗi người dùng có mã trải phổ riêng của mình Một mã giống hệt nhau được sử dụng trong cả hai biến đổi trên mỗi đầu của kênh vô tuyến, tại nơi đã trải tín hiệu ban đầu để tạo ra tín hiệu băng rộng, và tại nơi giải trải tín... được tín hiệu của MS1 thì phải điều chỉnh công suất phát của để nền tạp âm thu được tại máy thu của BTS là đồng đều nhau 26 Nguyên lý của CDMA Hình 1.19 Mô tả sự tác động của công suất tới việc trải phổ Như vậy công suất của các máy di động được điều chỉnh sao cho sau khi giải trải phổ thì phổ của tín hiệu cần thu sẽ lớn hơn nền nhiễu để máy thu có thể tách và giải điều chế 4.2 Phân loại điều khiển công.. .Nguyên lý của CDMA Nếu gọi 𝐾 𝑢 là số thuê bao của dải thông B thì công suất nhiễu I=C(𝐾 𝑢 -1) trong trường hợp mức năng lượng của các tín hiệu phát đi được điều khiển để thu cùng mức công suất (C) tại trạm gốc Khi đó dung lượng của hệ thống CDMA được tính bằng công thức sau: 𝐶 = 𝐼 (𝐾 1 𝑢 𝐸 = 𝑁𝑏 −1) 0 𝑅𝑏 𝐵 ≈ 1 𝐾𝑢 𝐵 𝑁𝑂 𝐸𝑏... truyền dẫn vô tuyến 32 Nguyên lý của CDMA Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp) Bằng cách thực hiện chuyển giao như vậy, tải hệ thống sẽ được phân bố đều và như cầu về dung... vì lý do lưu lượng Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng được thực hiện bởi trung tâm chuyển mạch di động (MSC) 33 Nguyên lý của CDMA 5.1.2 Trình tự chuyển giao Trình tự chuyển giao gồm có ba pha như hình vẽ, bao gồm : pha đo lường, pha quyết định và pha thực hiện Đo lường: - Đo các tham số - Báo cáo các tham số Quyết định: -Các tham số thuật toán Thực hiện; - Tín hiệu chuyển giao - Phân bổ tài nguyên. .. đó công suất thu được ở trạm gốc của MS2 sẽ lớn hơn công suất thu được của MS1 là 16 lần và tỉ số tín hiệu trên can nhiễu trong trường hợp này sẽ là: C/I=Pr1/Pr2= 1/16 25 Nguyên lý của CDMA Điều đó có nghĩa là tỉ số tín hiệu trên can nhiễu giảm 16 lần so với trường hợp hai trạm di động ở cùng khoảng cách Để giải quyết vấn đề này người ta cần điều khiển công suất phát của các trạm di động sao cho các... bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền 21 Nguyên lý của CDMA 2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) Hình 1.15: Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian 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... điều khiển công suất vòng kín, các phép đo chất lượng được thực hiện ở phía đầu bên kia của kết nối trong trạm gốc, và kết quả sau đó được gửi trở lại cho máy phát của điện thoại di động, để nó có thể điều chỉnh công suất phát của nó Phương pháp này cho các kết quả tốt hơn nhiều so với phương pháp 28 Nguyên lý của CDMA vòng hở, nhưng nó không thể phản ứng với những thay đổi nhanh trong các điều kiện . Nguyên lý của CDMA 1 Trang Lời nói đầu……………………………………………………………………… 1 1.1 Giới thiệu CDMA ………………………………………………………… 3 1.2 Nguyên lý của kỹ thuật CDMA ……………………………………… 8 1.3 Các thông số của. mạng 2G khác Nguyên lý của CDMA 6 Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia thời gian TDMA Hình 1.3: Kết hợp FDMA/ TDMA Nguyên lý của CDMA 7 Trong hệ thống CDMA tất cả người. được gọi là các chip. Hình 1.6: Nguyên lý trải phổ Nguyên lý của CDMA 13 Hinh1.7 : Nguyên lý giải trải phổ Mỗi người dùng có mã trải phổ riêng của mình. Một mã giống hệt nhau được