đề tài tìm hiểu Nguyên lý của CDMA

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

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

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

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

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

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

Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia thời gian TDMA

Hình 1.3: Kết hợp FDMA/ TDMA

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

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

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

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, 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):𝐸0/𝐼0.Tỷ số này quan hệ với tốc độ lỗi BER mà BER lại biểu thị chất lượng thoại

C: là công suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 1 máy di động

I: là công suất nhiễu

Nếu gọi 𝐾𝑢 là số thuê bao của dải thông B thì công suất nhiễu I=C(𝐾𝑢-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:

-Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng CDMA

∎Giá trị E/R thấp và bảo vệ lỗi :do CDMA sử dụng băng rộng nên giá tri E/R thấp vẫn đảm bảo được chất lượng cao

∎Phân tập và đạt được đa đường dẫn với giá trị E/R thấp:CDMA có khả năng giải quyết được hiện tượng pha đinh bằng cách nhận biết các tín hiệu đa đường rồi tổng hợp chúng lại

∎Dò tìm tín hiệu:chu kỳ thường trực của tín hiệu phát là 35% trong trao đổi thông tin 2 chiều, máy thu thực hiện dò tìm nên dung lượng tăng

M=𝐵

𝑅

𝑁 𝐸

1 𝑑

3 lần.Trong thực tế độ lợi dải quạt là G thì dung lượng tăng lên G lần ( thông thường G=2,25)

∎Phân bố dung lượng giữa các trạm gốc không đồng đều: đây là phương pháp thay đổi dung lượng mềm dẻo.Khi cell lân cận có ýt cuộc gọi thì có thể phân bố cho cell khác có lưu thông cao hơn.Từ đó làm tăng dung lượng của hệ thống

2.1 Kỹ thuật trải phổ

Truyền trải phổ là một kỹ thuật mà trong đó tín hiệu ban đầu của người dùng được chuyển đổi thành một dạng khác, chiếm băng thông lớn hơn so với băng thông mà tín hiệu ban đầu thường cần đến Chuyển đổi này được biết đến với tên

Hình 1.6: Nguyên lý trải phổ

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 hiệu băng rộng để tái tạo tín hiệu băng hẹp ban đầu (xem Hình 1.7)

Tỷ lệ giữa băng thông truyền tải và phổ tín hiệu ban đầu được gọi là độ lợi

xử lý (còn gọi là hệ số trải phổ SF - Spreading factor) Lưu ý rằng tỷ lệ này chỉ đơn

giản có nghĩa là bao nhiêu chip được sử dụng để trải một Symbol dữ liệu Trong UTRAN, các giá trị của hệ số trải phổ có thể trong khoảng giữa 4 và 512 (tuy nhiên, ở chế độ TDD SF = 1 cũng được cho phép) Hệ số trải phổ càng thấp thì tải

dữ liệu của tín hiệu có thể được truyền trên giao diện vô tuyến càng lớn

Các mã trải phổ là duy nhất, ít nhất là ở cấp độ tế bào Điều này có nghĩa rằng một khi máy thu dùng một mã giải trải tín hiệu băng rộng nhận được, thành phần được giải trải chỉ là thành phần đã được trải bằng chính mã đó tại máy phát Hai loại mã trải phổ được sử dụng trong UTRAN, đó là: các mã trực giao và các

mã giả tạp âm

Các mã trải phổ có tương quan chéo thấp với các mã trải phổ khác Trong trường hợp các mã trực giao đồng bộ hoàn toàn, các tương quan chéo thực sự bằng không Điều này có nghĩa là một loạt các tín hiệu băng rộng có thể cùng tồn tại trên cùng một tần số mà không gây nhiễu đáng kể lẫn nhau Năng lượng của tín hiệu băng rộng được trải rộng trên một băng thông rất lớn, mà nó giống như tạp âm nền

so với tín hiệu ban đầu, đó là do mật độ phổ công suất của nó là khá nhỏ

Khi tín hiệu băng rộng tổng hợp tương tác với mã trải phổ cụ thể, thì chỉ có tín hiệu gốc đã được trải bằng mã trải phổ tương ứng là được giải trải, trong khi tất

cả các thành phần tín hiệu gốc khác vẫn bị trải (xem Hình 1.8)

Hình 1.8: Khôi phục tín hiệu giải trải

Do đó, tín hiệu ban đầu có thể được phục hồi tại máy thu miễn là công suất của tín hiệu được giải trải cao hơn một vài decibel so với công suất tạp âm gây nhiễu, đó là tỷ lệ sóng mang tới nhiễu (C/I) phải đủ lớn Lưu ý rằng mật độ công suất của tín hiệu được trải có thể thấp hơn nhiều so với mật độ công suất của tín hiệu băng rộng tổng hợp, và sự khôi phục của tín hiệu gốc vẫn có thể nếu hệ số trải phổ là đủ cao, nhưng nếu có quá nhiều người sử dụng trong tế bào đó tạo ra quá nhiều nhiễu thì tín hiệu có thể bị chặn và truyền thông trở nên không thể, như mô tả trong (Hình 1.9)

Hình 1.9: Không thể khôi phục tín hiệu giải trải

Lưu ý rằng một sóng mang băng rộng không làm tăng dung lượng băng thông được phân bổ đến vậy Về nguyên tắc, một tập hợp các sóng mang băng hẹp chiếm cùng một băng thông sẽ có thể truyền tải dữ liệu nhiều như tín hiệu băng rộng Tuy nhiên, trong một hệ thống băng rộng các tín hiệu có khả năng chống nhiễu liên tế bào cao hơn, và do đó nó có thể tái sử dụng cùng một tần số trong các

tế bào lân cận Điều này có nghĩa rằng hệ số tái sử dụng tần số là một, trong khi, trong hệ thống GSM, giá trị này thường ít nhất là bốn, đó là cùng một tần số chỉ có thể được tái sử dụng tại tối đa mỗi tế bào thứ tư (1/4) Chỉ riêng điều này cung cấp một tăng dung lượng đáng kể so với các hệ thống băng hẹp, mặc dù gia tăng dung lượng là không chỉ đơn giản là tỷ lệ thuận với hệ số tái sử dụng

Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện

+ Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin

+ Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin

2.2 Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ

+ Khả năng đa truy cập

Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn Tuy nhiên, việc tăng số lượng người sử dụng trong tế bào làm tăng tạp âm nền gây nhiễu Nếu nhiễu này trở nên quá lớn, sự phục hồi tín hiệu tại máy thu sẽ không còn được thành công

+ Tính bảo mật thông tin cao

Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức

+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường

Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trênkênh truyền vô tuyến Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight) Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã

bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của

nó

+Sức đề kháng phá sóng tốt

Vì mật độ phổ công suất của tín hiệu là quá thấp và giống như tạp âm nền, rất khó để phát hiện và phá sóng Do đó, các hệ thống truyền thông CDMA được phổ biến dành cho quân đội

+Chống nhiễu

Một tín hiệu băng rộng có thể chống lại nhiễu băng hẹp đặc biệt tốt Trong khi trong quá trình giải điều chế tín hiệu ban đầu sẽ được giải trải, thì đồng thời nó cũng sẽ làm cho tín hiệu nhiễu bị trải ra (xem Hình 1.10) Do đó, nhiễu bị trải rộng trên một phổ rộng Giải điều chế sẽ thành công nếu nhiễu bị trải là đủ yếu trong băng thông hẹp của tín hiệu được giải trải

Hình 1.10: Chống nhiễu băng hẹp

2.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản

∎Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS/SS)

∎Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH/SS)

∎Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian(TH/SS)

2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp

(DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)

Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức

c(t) , d(t) = +1 – c(t) , d(t) = –1

Bộ điều chế băng rộng d(t)

Bộ tạo mã PN

c(t)

Bộ tạo sóng mang

Máy phát

Bộ giải điều chế dữ liệu

Bộ tạo sóng mang

Bộ tạo mã PN

cr(t)

d r (t) Máy thu

Hình 1.11: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

hoặc QPSK Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức[1][2]:

t cosw ).

( ).

( 2 ) (t P d t c t 0

( 2 ) (t P d t 0

Hình 1.12: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ

Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu VBPSK có tốc độ bit fb, vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ VDS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ VBPSK Nếu fc đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức

Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu

Hình 1.13: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ

2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số

(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Hình 1.14: Phổ của tín hiệu FH – SS

Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục

tần số Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L như Hình 1.14

Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền

Hình 1.15: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

Trộn, biến đổi tần lên d(t)

Bộ tạo mã PN

c(t)

Tổng hợp tần số

Máy phát

Điều chế

băng gốc

Trộn, biến đổi tần xuống

Tổng hợp tần số

Bộ tạo mã PN

cr(t)

d r (t) Máy thu

Đồng

bộ Giải điều chế dữ liệu

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 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

Bộ điều chế

dữ liệu d(t)

Bộ tạo mã PN

c(t)

Bộ tạo sóng mang

Bộ tạo sóng mang

Bộ tạo mã PN

cr(t)

d r (t )

Máy thu

fast in Buffer

3 MÁY THU RAKE (RAKE Receiver):

Trong một kênh đa đường, tín hiệu ban đầu được phát đi bị phản xạ bởi các chướng ngại vật trong hành trình của nó đến máy thu, và máy thu nhận được nhiều bản sao của tín hiệu gốc với độ trễ khác nhau Những tín hiệu đa đường có thể được thu và được kết hợp lại bằng cách sử dụng một máy thu RAKE Một máy thu

RAKE được tạo nên từ các bộ tương quan (correlators), còn được biết đến như các

ngón của RAKE, mỗi ngón thu một tín hiệu đa đường Sau khi giải trải bởi các bộ tương quan bằng việc sao chép nội tại phiên bản mã trải của máy phát đã trễ thích hợp, các tín hiệu này được kết hợp lại Do các tín hiệu đa đường thu được là fading độc lập, phương pháp này cải thiện tổng thể chất lượng và đặc tính của tín hiệu được tổng hợp lại

Nó được gọi là máy thu RAKE vì hai lý do Một là hầu hết các sơ đồ khối của thiết bị trông giống như một cái cào vườn, mỗi răng của chiếc cào là một trong những ngón Một lý do khác là cái cào vườn thông thường có thể minh họa cho hoạt động của máy thu RAKE Cách thức mà một cào vườn cuối cùng chọn lên các mảnh vụn ra khỏi một thảm cỏ tương tự như cách các ngón của RAKE phối hợp với nhau để phục hồi nhiều phiên bản của tín hiệu đến từ máy phát (Hình 1.17)

Hình 1.17: Nguyên lý máy thu RAKE

Một tín hiệu riêng thu được bởi một ngón RAKE có thể là quá yếu để tạo ra một kết quả chính xác Tuy nhiên, kết hợp một số tín hiệu hỗn hợp trong máy thu RAKE làm tăng khả năng tái tạo đúng tín hiệu gốc Nguyên lý thu RAKE được cấp

bằng sáng chế vào năm 1956, do đó, bằng sáng chế này đã hết hạn một thời gian dài trước đây

4 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT (Power Control):

4.1 Cở sở của điều khiển công suất

Ở các hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh đối với nhau Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỉ số Eb/N’0, trong đó Eb là năng lượng bit còn N0 là mật độ tạp âm trắng Gausơ cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của các người sử dụng khác Để đảm bảo tỷ số Eb/N’0 không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất của các máy phát của các người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc Nếu như ở các hệ thống FDMA và TDMA việc điều chỉnh công suất này không bắt buộc thì ở hệ thống CDMA điều chỉnh công suất là bắt buộc và điều chỉnh này phải nhanh nếu không dung lượng của hệ thống sẽ giảm Chẳng hạn nếu công suất thu được của một người sử dụng nào đó ở trạm gốc lớn hơn mười lần công suất phát của các người sử dụng khác, thì nhiễu giao thoa đồng kênh do người sử dụng này gây ra cũng lớn gấp mười lần nhiễu của các người sử dụng khác Như vậy dung lượng của hệ thống sẽ giảm đi một lượng bằng chín Công suất thu được ở trạm gốc phụ thuộc vào khoảng cách của các máy di động so với trạm gốc và có thể thay đổi đến 80 dB Hiện tượng công suất thu thay đổi theo khoảng cách giữa MS và BS được gọi là hiện tượng gần- xa hiện tượng này ảnh hưởng lớn tới hệ thống, có thể được minh họa như sau:

Hình 1.18 Hiệu ứng gần xa

Giả sử có hai trạm di động MS1 và MS2 cách đều trạm gốc BS một khoảng

là d và phát đi cùng một công suất là Pt1= Pt2 phát cùng thời gian và tần số nên

MS1 và MS2 sẽ gây nhiễu lẫn nhau Do cả hai trạm di động có cùng công suất phát

và cách đều trạm gốc nên tỉ số tín hiệu trên can nhiễu sẽ bằng 1:

C/I=Pr1/Pr2= 1

Trong đó: Pr1, Pr2 là các tín hiệu mà BS thu được từ MS1 và MS2 Bây giờ nếu MS1 đứng yên còn MS2 tiến gần lại trạm gốc sao cho khoảng cách từ MS2 tới trạm gốc là d/2 Giả sử suy hao đường truyền tỷ lệ với mũ 4 khoảng cách thì công suất thu ở trạm gốc đối với MS1 sẽ suy hao với tỉ lệ d4 còn đối với MS2 sẽ suy hao theo tỉ lệ (d/2)4= d4*1/16 Do 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

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 trạm di động ở gần trạm gốc sẽ phát công suất nhỏ hơn so với các trạm di động ở xa trạm gốc Trong trường hợp này công suất phát của trạm MS2 sẽ phải giảm 16 lần để C/I=1

Dung lượng của một hệ thống di động CDMA đạt giá tri cực đại nếu công suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho ở trạm gốc công suất thu được là như nhau đối với tất cả các người sử dụng Ngoài việc giảm hiện tượng gần – xa, điều khiển công suất còn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất phát trên một người sử dụng, cần thiết để đảm bảo tỉ số lỗi bit ở mức cho trước, mức tối thiểu Như vậy, điều khiển công suất còn cho một cái lợi khác là kéo dài tuổi thọ của ác quy của MS

- Ngoài ra thì việc điều khiển công suất còn làm tăng khả năng giải trải phổ tín hiệu thu, làm cho việc thu, tách tách tín hiệu được dễ dàng hơn: Nếu có hai trạm

di động MS1 và MS2 cùng thu, phát trên một kênh CDMA có phổ tín hiệu tương ứng là D1(f) và D2(f) Phổ D1(f) và D2(f) có thể nằm gần hoặc xa nhau trên dải tần Trước khi truyền đi các phổ này sẽ được trải rộng ra nhờ mã trải phổ c1(t) và c2(t) tương ứng Lúc này phổ của tín hiệu có dạng gần giống phổ của tạp âm

Giả sử tín hiệu của trạm di động MS1 là tín hiệu cần thu, thì tín hiệu của

MS2 coi như là nhiễu Tại phía thu tín hiệu cần thu sẽ được đưa vào giải trải phổ với mã giải trải phổ c1(t) là bản sao đồng bộ của mã trải phổ tại phía phát Như vậy phổ tín hiệu D1(f) sẽ được nén lại giống như phổ ban đầu Các nhiễu dải hẹp sinh

ra trong quá trình truyền tin sẽ được trải phổ ra với mã c1(t) và như vậy ta sẽ thu được tín hiệu cần thu của MS1 Nhưng nếu tại phía thu tín hiệu trải phổ tín hiệu của

MS2 thu được vẫn còn cao hơn (do công suất phát lớn) phổ tín hiệu của MS1 sau khi đã nén (nói cách khác phổ tín hiệu D1(f) bị chìm trong nền nhiễu) thì máy thu cũng sẽ không thu được tín hiệu của MS1 làm mất thông tin Như vậy để thu 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

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 suất

Có hai loại điều khiển công suất cơ bản: điều khiển vòng hở và điều khiển

vòng kín Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở yêu cầu thực thể phát đo lường

nhiễu kênh và điều chỉnh công suất phát của nó cho phù hợp Điều này có thể được thực hiện một cách nhanh chóng, nhưng vấn đề là ước tính nhiễu được thực hiện trên tín hiệu thu được, và tín hiệu phát có thể sử dụng một tần số khác, mà nó khác với tần số thu được bởi khoảng trống phòng vệ của hệ thống song công Do fading nhanh đường xuống và đường lên (trên các tần số mang khác nhau) là không tương quan, nên phương pháp này mang lại các giá trị công suất đúng chỉ là trung bình

Tuy nhiên, nếu một chế độ truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRA) song công phân chia thời gian (TDD) được sử dụng, thì cả hai uplink và downlink sử