TÌM HIỂU KỸTHUẬT TRẢI PHỔCDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

phương pháp đa truy nhập là: FDMA, TDMA, CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TÓM TẮT NỘI DUNG

Công nghệ CDMA đã được tìm hiểu từ những năm 90 đến nay, đã trở nên phổ

biến và là nền tảng để phát triển các thế hệ thông tin di động thế hệ 3G Nó đã trở

thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên toàn thế giới Công nghệ

CDMA là nội dung chính của bản khoá luận này

Trong khoá luận này, em trình bày tổng quan về mạng thông thông tin di động

bao gồm: những nét đặc thù, lịch sử và xu hướng phát triển của thông tin di động, khái

quát về 3 phương pháp đa truy nhập là: FDMA, TDMA, CDMA Các kỹ thuật trải phổ

cụ thể, như: kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, nhảy tần, nhảy thời gian và các hệ thống

lai Các kỹ thuật khác trong trải phổ như: dãy mã giả ngẫu nhiên và vấn đề đồng bộ

các tín hiệu này các đặc tính CDMA khi ứng dụng vào trong hệ thống thông tin di

động Trong phần tìm hiểu về mạng di động CDMA 2000 1x, trình bày về cấu hình, xử

lý cuộc gọi, quy trình thiết lập cuộc gọi và một số dịch vụ bổ sung chưa có trong mạng

GSM.Cuối cùng là phần giới thiệu về một mạng thông tin di động cụ thể sử dụng kỹ

thuật CDMA, mạng S-Fone

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm vừa qua, nhu cầu trao đổi thông tin ngày một cao nó không

chỉ nằm trong giới hạn của một quốc gia, mà là trên phạm vi thế giới Sự phát triển rất

nhanh của công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn thông cung cấp ngày càng nhiều

các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các

yêu cầu của khách hàng

Hiện nay, mạng thông tin di động ở Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM

là chủ yếu Tuy nhiên, trong tương lai mạng thông tin di động này sẽ không đáp ứng

được các nhu cầu về thông tin di động Bởi vì, nhu cầu thông tin di động không chỉ là

thoại mà còn là truyền dữ liệu, hình ảnh, âm thanh với tốc độ cao, các yêu cầu về

chất lượng, bảo mật cũng được đặt ra Điều này đã thúc đẩy các nhà cung cấp dịch vụ

thông tin di động phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới 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 lớn hơn so với các công nghệ tương tự hoặc số khác do đó số lượng thuê bao

đa truy nhập 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

Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài: “ Tìm hiểu về kỹ thuật

trải phổ CDMA trong thông tin di động”

Nội dung của đề tài này là: Tìm hiểu về các kỹ thuật trải phổ, các đặc tính của

công nghệ CDMA khi ứng dụng vào mạng thông tin di động, mạng thông tin di động

2000 1x, tìm hiểu về mạng S-Fone – là mạng di động CDMA duy nhất ở nước ta hiện

nay

Đề tài bao gồm 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động

Chương 2: Kỹ thuật trải phổ CDMA trong thông tin di động

Chương 3: Mạng thông tin di động 2000 1x

Chương 3: Tìm hiểu về mạng điện thoại di động S-Fone

Lương Thị Thuận 3 Trường Đại học Công Nghệ

thời gian hạn chế, trình độ và kinh nghiệm còn có hạn nên nội dung của luận văn này

chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng

dẫn và sựgiúp đỡ của thầy, cô và các bạn

Để có thể hoàn thành luận văn này, trước tiên em muốn gởi đến thầy Nguyễn

Văn Cương lời cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy trong suốt

thời gian qua Em xin được gởi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân

thành và biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ trong suốt thời gian em học tập tại trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Những đặc thù của thông tin di động

Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ (vì

vừa như vậy mới liên lạc vừa di chuyển được, và cho tới ngày nay loài người chưa

phát hiện ra môi tường thông tin đặc biệt nào khác ưu việt hơn sóng điện từ)

Mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập (gọi là

kênh truyền vô tuyến ), mỗi kênh giả sử chỉ có dải thông 3KHz ( tức là 3.103 Hz ứng

với dải thông tiếng nói, trên thực tế phải cần nhiều hơn thế nữa) thì dải tần số vô tuyến

từ 0 – 3 GHz ( 3.109) chỉ cho phép truyền 3.109 3.103 = 106 tức là một triệu cuộc liên

lạc một lúc Vậy thì làm thế nào để hàng trục triệu người có thể cùng sử dụng máy di

động cùng một lúc đấy là chưa kể dải tần số vô tuyến còn phải dành cho rất nhiều

công việc khác (như quốc phòng , hàng không, nghiên cứu khoa học….), dải tần số

dành cho thông tin di động chỉ là phần nhỏ

Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên một dải

tần số vô tuyến hạn chế là sử dụng lại tần số miễn hai cuộc liên lạc phải đủ xa nhau về

khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền của hai người trong

cuộc, để không gây nhiễu cho nhau Do vậy một địa bàn có dịch vụ thông tin di động

phải được chia thành các phần nhỏ, gọi là tế bào, hai cuộc liên lạc ở hai tế bào dù ở xa

nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một

trạm trung tâm tế bào Về lý thuyết, nếu kích cỡ của tế bào là rất nhỏ, công suất thu

phát liên lạc được khống chế trong đó( để không làm “phiền” đến tế bào khác) thì có

thể phục vụ được vô số cuộc gọi di động cùng một lúc mà chỉ cần một dải tần sóng vô

tuyến hạn chế Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số Điều này kéo

theo một loạt hệ quả tất yếu khác như:

• Chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận

• Kỹ thuật chuyển giao

• Quản lý kênh truyền (khi có yêu cầu sử dụng hoặc giải phóng kênh)

• Đăng ký vị trí (mới biết người liên lạc ở tế bào nào để tìm gọi) …

Lương Thị Thuận 5 Trường Đại học Công Nghệ

thiết bị cầm tay đồng thời lại tiết kiệm năng lượng (để phục vụ cuộc liên lạc được

lâu) Những yêu cầu này luôn đòi hỏi rất cao về công nghệ điện tử và các kỹ thuật xử

lý tín hiệu mà những tiến bộ cách đây 20 năm không thể đáp ứng nổi Chính vì vậy

phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện tử vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ

20 thông tin di động mới thâm nhập vào đời sống xã hội rộng rãi bằng những sản

phẩm thương mại hấp dẫn Sau đó phát triển với tốc độ nhảy vọt trong thập kỷ tiếp

theo khi đưa ra nhiều dịch vụ đa năng với chất lượng dịch vụ ngày càng cao

Tóm lại, đặc thù cơ bản của thông tin di động là mâu thuẫn giữa số lượng

người dùng đông đảo và dải tần hạn chế, dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các tế

bào kèm theo tất cả các kỹ thuật hệ thống khi xây dựng hệ thống tế bào này Điều này

làm cho hệ thống thông tin di động khác rất nhiều so với hệ thông tin cố định ( hữu

tuyến hoặc vô tuyến) [5]

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Để có bức tranh toàn cảnh, ngắn gọn về thông tin di động ta điểm lại những

mốc phát triển quan trọng trong lịch sử Có thể chọn lịch sử phát triển thông tin di

động của nước Mỹ làm điển hình:

Năm 1946: Dịch vụ điện thoại di động công cộng lần đầu tiên được giới thiệu

ở 25 thành phố của Mỹ Mỗi hệ thống dùng bộ ăng ten công suất lớn đặt cao phủ sóng

toàn thành phố (bán kính 50km), kỹ thuật FM, truyền bán song công (Pust-to talk), ở

băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là 120kHz Đây chưa phải hệ thống tế bào, tần

số chưa được dùng lặp lại nên số người được phục vụ rất ít

Năm 1950: Độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng

tăng gấp đôi

Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần

Năm 1950-> 1960: Xuất hiện tổng đài tự động, dịch vụ IMTS (song công, tự

động quay số, tự động chọn kênh ) Tuy nhiên nhanh chóng bị bão hoà bởi nhu cầu

người sử dụng do dịch vụ chất lượng kém và hay bị bận Dịch vụ IMTS hiện vẫn còn ở

Mỹ, song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay

Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T đưo ra dự án

điện thoại năm 1968) Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được

Năm 1983: Ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS ( Advanced

Mobile Phone System ) Đánh dấu sự ra đời điện thoại tế bào thế hệ 1 Ủy ban viễn

thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân cho dịch vụ này 1 dải tần 40MHz trên khoảng tần

số 800MHz (ứng với 660 kênh song công rộng 2x30kHz= 60kHz) Phổ tần này được

phân đều cho 2 nhà cung cấp để tạo sự cạnh tranh

Năm 1989: Trước yêu cầu tăng trưởng mạnh mẽ số người sử dụng FCC phân

thêm cho dịch vụ này 10MHz phổ nữa (ứng với 166 kênh song công) Hệ thống điện

thoại tế bào này hoạt động trong môi trường han chế giao thoa, sử dụng lại tần số, kĩ

thuật đa truy cập theo tần số (FDMA)

Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS-54 trên cơ sở hạ

tầng AMPS Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30kHz, kĩ thuật điều chế (π/4

DQPSK) Khi kĩ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng

lên 6 lần (kết hợp với kĩ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA và tồn tại song song

với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM)

Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kĩ thuật trải phổ phát triển bởi công

ty QUALCOM theo chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần

1.25MHz, sử dụng kĩ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA Có nhiều ưu điểm

hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỉ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính cạnh

tranh cao

Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng được đặt

ra từ những năm 90

Từ năm 1995: Chính phủ mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800->2100MHz,

hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

Năm 2000: Tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã tiến hành tiêu chuẩn hoá cho

hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000_hệ thống thông tin di động thứ 3 [5]

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Khái niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 tại phòng thí nghiệm Bell

của AT&T Nhưng đến đầu những năm 70 AT&T mới đưa ra dự án điện thoại tế bào

Và cho đến năm 1983, ra đời dịch vụ AMPS do AT&T và MOTOLAR của Mỹ Đánh

dấu sự ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Với kỹ thuật tương tự,

phương pháp điều tần FM để điều chế tiếng nói trên băng tần 800MHz với độ rộng

phổ là 40MHz Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số có giới hạn thì toàn bộ vùng

Lương Thị Thuận 7 Trường Đại học Công Nghệ

dịch vụ cung cấp một tần số nhất định và có một anten trung tâm, với công suất phát

phù hợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bao khác

Khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số

BA

E F

D

BA

E F

F E

D

Hình 1 Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dịch vụ

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất đã bao gồm hàng loạt các hệ thống

ở các nước khác nhau như: NMT phát triển ở Châu Âu, NTT ở Nhật, TACS ở Anh…

Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ truy cập FDMA có sơ đồ khái quát như sau:

Chú thích :

MSC Mobile service Switching Center Trung tâm chuyển mạch nghiệp

vụ di động AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

SS7 common channel Signaling System no.7 Báo hiệu kênh chung số 7

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng

Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng mà

trước hết là về dung lượng Mặt khác các tiêu chuẩn của các hệ thống không tương

thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng (việc liên lạc ngoài biên giới là

không thể) Do sử dụng kỹ thuật truyền tiếng nói tương tự nên hiệu suất sử dụng phổ

tần không cao và chất lượng kém Những vấn đề này đặt ra cho hệ thống thông tin di

động hế hệ 2 phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật tương tự hay số Và kỹ thuật số đã được

lựa chọn , trước hết là sự bảo đảm chất lượng cao hơn, khả năng tiềm tàng về một

dung lượng lớn hơn

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Ra đời vào đầu những năm 1990: Chuẩn GSM của Châu Âu và IS-54 (tồn tại

song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS-95 cho phương pháp đa truy

nhập CDMA Hệ thống thông tin di động thế hệ hai dựa trên kỹ thuật đa truy cập phân

chia theo thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA, truyền

dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK, FSK…

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai theo chuẩn IS-95 được phát triển ở

Mỹ Hệ thống này sử dụng lại băng tần 824MHz - 849MHz cho tuyến lên và 869MHz

– 894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1,25MHz

Hệ thống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng

tần sử dụng gồm hai dải tần: 890MHz – 915MHz cho tuyến lên và 935MHz –

Lương Thị Thuận 9 Trường Đại học Công Nghệ

200KHz (gọi là kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN hay kênh vật lý) Mỗi kênh vật

lý chia thành 8 khe thời gian (Time Slot) ứng với 8 kênh dịch vụ Về lý thuyết số kênh

vật lý trên dải tần 25MHz là 25000/200=125 kênh Tổng số kênh lưu lượng là

125x8=1000 kênh, nghĩa là phục vụ đồng thời 1000 thuê bao mà chưa sử dụng lại tần

số

Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM( Global

System for Mobile communication)

MSC VLR

BTS

BSC BSS

OSS

MS

Hình 3 Mô hình cấu trúc mạng thông tin di động GSM

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

EIR Equipment Identify Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị

MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch các

nghiệp vụ di động

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

BSC Base Station Controller Đài điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

OSS Operation & Support System Hệ thống khai thác và hỗ trợ

NSS Network Switching System Hệ thống chuyển mạch mạng

ISDN Integrated Service Digital

Ưu điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai :

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời nhằm giải quyết những hạn

chế của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất Do sử dụng kĩ thuật số mà có

những ưu điểm sau:

Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn

Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ bít càng thấp cho phép ghép nhiều kênh vào

dòng bít tốc độ chuẩn

Áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số

Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Common Channel Interference) và

chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent Channel Interference) hiệu quả hơn sẽ làm tăng

dung lượng hệ thống

Lương Thị Thuận 11 Trường Đại học Công Nghệ

tần số hiệu quả hơn

Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu

Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là hạn chế nên các dịch vụ ứng dụng

cũng bị hạn chế ( không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông

tin di động đa phương tiện cho tương lai)

Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai là không thống

nhất Do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng

rộng, mặc dù cả hai hệ thống này đều có thể coi như là sự tổ hợp của FDMA và

TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe

thời gian trong băng tần Do đó việc chuyển giao toàn cầu chưa thực hiện được

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Ra đời vào những năm cuối của thập niên 90 nhằm đáp ứng nhu cầu thông tin

di động gia tăng Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sử dụng các kỹ thuật đa truy

nhập: đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA một sóng mang và đa sóng mang

DECT, CDMA đa sóng mang(CDMA2000 hay IS2000), CDMA băng rộng theo thời

gian (WCDMA-TDD) và theo tần số (WCDMA- FDD) Nó có dải thông khá rộng là

1885MHz-2025MHz và 2110MHz – 2200MHz trên toàn thế giới theo tiêu chuẩn

IMT-2000 So với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông

tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ sóng khắp

toàn cầu Nó có thể chuyển mạng, hoạt động mọi nơi, mọi lúc Nó có thể thực hiện các

dịch vụ thông tin dữ liệu tốc độ cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp

thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, Wap(Wiless Applycation Protocal) là giao thức

ứng dụng không dây cho phép truy cập vào mang Internet đọc tin tức, tra cứu thông

tin, hình ảnh…Do đặc điểm băng tần rộng nên nó còn có thể cung cấp các dịch vụ

truyền hình ảnh, âm thanh, các dich vụ điện thoại thấy hình…Hệ thống này ngày càng

phát triển khắp toàn cầu với những mục tiêu cơ bản sau:

Lương Thị Thuận 13 Trường Đại học Công Nghệ

• Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu

• Có khả năng truyền tải đa phương tiện

• Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin di động thế hệ hai chỉ có

phương thức chuyển mạch gói, hiệu suất kênh tương đối thấp Trong khi hệ

thống thông tin di động thế hệ thứ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh

và chuyển mạch gói

• Tăng phương thức truyền tải không đối xứng Do các dịch vụ số liệu mới

WWW (Word Wide Web) có đặc tính không đối xứng: truyền tải đường lên

thường chỉ cỡ vài Kbit/s, còn đường xuống cỡ vài trăm Kbit/s Trong hệ

thống thông tin di động thế hệ thứ hai thì chỉ hỗ trợ truyền tải đối xứng

• Tăng cường dịch vụ số liệu WWW và khả năng truyền số liệu

• Chất lượng thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến

• Hiệu suất phổ tần cao hơn

IS-136 TDMA (800)

IS-95CDMA (800)

WCDMA

SMR

3G 1G

Hình 4 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến 3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời đã khắc phục được nhiều

nhược điểm của thế hệ một Song với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội và nhu cầu

tăng vọt của khách hàng sử dụng mạng di động, cùng những đòi hỏi về chất lượng làm

cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai không đáp ứng nổi Những nhu cầu này

chính là động lực để phát triển hệ thống thông tin di động tốc độ cao nhằm phát triển

truyền thông đa phương tiện và đa dịch vụ Do vậy thế hệ 2,5 dã ra đời và trở thành kỹ

thuật trung gian quá độ sang hệ thống thông tin thế hệ thứ ba

1.3 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động

Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong hệ thống thông tin di

động người ta sử dụng các kỹ thuật ghép kênh Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử

dụng khái niệm đa truy cập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiêù thuê

bao dùng chung tài nguyên tần số hoặc khe thời gian hoặc cả hai Có ba hình thức đa

truy nhập cơ bản là:

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

1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Trong hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải thông

của băng tần được chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô tuyến Như

vậy sẽ có N kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N

kênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một cặp

kênh trong suốt quá trình liên lạc.Với kiểu truy nhập này các kênh sẽ phát đi liên tục

đồng thời một số sóng mang Do vậy nhất thiết phải cung cấp các khoảng bảo vệ giữa

mỗi dải mà một sóng mang chiếm, để tính đến sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao

động và các bộ lọc Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền

dẫn số và truyền dẫn tương tự Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là đơn giản và không

cần đồng bộ giữa bên thu và bên phát Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm: Thiếu linh

hoạt trong trường hợp tái cấu hình, tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên

do phát sinh các sản phẩm xuyên điều chế giữa các sóng mang, cần phải điều khiển

công suất phát của các trạm …Hệ thống FDMA điển hình là AMPS, sử dụng điều chế

FM cho truyền dẫn tương tự

1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian

Năng lượng của tín hiệu được hạn chế ở một trong các khe thời gian Nhiễu của các

kênh kề nhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các kênh Từng

cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho một trong các

khe thời gian này Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi

tuỳ thuộc vào cách thiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và

thường thì nhiều hơn Điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách

hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một dải thông như vậy

TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số

hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời

gian trống và khi đó mới phát đi Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và

tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá Ngoài ra, do có nhiều thông tin

hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA được sử dụng có kỹ thuật

phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng tín hiệu

Trong hệ thống thông tin TDMA thì một sóng mang được sử dụng cho nhiều

người và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều

người sử dụng do đó không có sự chồng chéo nhau Thông tin sẽ được truyền dẫn dưới

dạng cụm (burst) trong các khe thời gian

Kỹ thuật TDMA đã khắc phục được các nhược điểm của kỹ thuật FDMA như:

• Không có các sản phẩm xuyên điều chế do tại một thời điểm chỉ

khuyếch đại một sóng mang duy nhất

• Hiệu suất truyền cao dù số lượng truy nhập là rất lớn

• Không cần phải khống chế công suất phát của các trạm

• Đơn giản hoá việc điều hưởng do phát và thu trên cùng một tần số

• Việc xử lý tín hiệu số dẫn đến sự đơn giản hoá trong vận hành

Tuy nhiên, TDMA cũng có những nhược điểm nhất định:

• Cần phải đồng bộ hoá

• Cần phải mở rộng kích thước của trạm để phát với hiệu suất cao

• Giá thành đắt do trang thiết bị phức tạp

Lương Thị Thuận 15 Trường Đại học Công Nghệ

dụng hệ thống thông tin TDMA

Người sử dụng 1 Người sử dụng 2 Người sử dụng 3

Khe thời

gian 1

Khe thời gian 2

Khe thời gian 3

Khe thời gian 4

Khe thời gian 5

Khe thời gian 6

30KHz

Hình 5 Phổ TDMA

TDMA được chia ra TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp Trong đó Mỹ và

Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng

Hệ thống TDMA Bắc Mỹ :

Hệ thống TDMA Bắc Mỹ sử dụng dải tần (869 - 894) và (824 - 849)MHz

Khoảng cách sóng mang là 30 KHz và mỗi kênh tần số được chia thành 6 khe thời

gian Cấu trúc khung của hệ thống TDMA Bắc Mỹ như sau:

1 khung = 972 ký hiệu (1994 bit)

Khe thời gian 1

Người sử dụng 3

Khe thời gian 2

Người sử dụng 1

Khe thời gian 3

Người sử dụng 2

Khe thời gian 4

Người sử dụng 3

Khe thời gian 5

3 thuê bao số với tốc độ cao nhất trên một kênh

Lương Thị Thuận 17 Trường Đại học Công Nghệ

1 khung =972 ký hiệu (1994 bit)

Khe thời gian 1

Người sử dụng 3

Khe thời gian 2

Người sử dụng 4

Khe thời gian 3

Người sử dụng 5

Khe thời gian 4

Người sử dụng 6

Khe thời gian 5

= 40ms

6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh

Hình 6 Cấu trúc khung TDMA

Dạng khe thời gian của hệ thống TMDA được mô tả như sau:

28 TRAININ

122 DATA

12 SACC

12 CDV

122 DATA

13

0 DATA

12 CDVCC

130 DATA

12 RESERVERR 000 00

324 bit

Hình 7(b) Dạng khe thời gian từ trạm gốc đến máy di động

Trong đó: G (Guard): là thời gian bảo vệ

R là thời gian ramp

SACCH là kênh điều khiển liên kết chậm

CDVCC là mã xác định mẫu số đã mã

Hệ thống TMDA Châu Âu :

Đây là hệ thống GMS, một hệ thống thông tin số sử dụng hệ thống TDMA và

sử dụng băng tần (890 - 915) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ máy di động đến BS và

băng tần (935 - 960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ BS đến máy di động

Cấu trúc khung hệ thống TDMA như sau:

1 siêu siêu khung = 2048 siêu khung

1 khung TDMA = 8 khe thời gian (4.615 ms)

1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ năm 1950 và được áp dụng trong

thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn

và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ

những phương pháp thu GPS và Ommi – TRACS Phương pháp này cũng được đề

xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào những năm 1990

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hoạt động theo nguyên lý trải phổ Nó

không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số và thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao

Ngược lại, giải pháp này cung cấp tất cả các tiềm năng đồng thời cho mọi thuê bao,

khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao ở mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số

tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng

rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách như vậy mỗi thuê bao

tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất

có thể Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng

thời gian và dải thông không bị hạn chế cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so

với các hệ thống TDMA và FDMA

Trong hệ thống thông tin CDMA nhiều thuê bao có thể chiếm cùng kênh vô

tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi (phát liên tục) Những thuê bao này được phân

biệt do mỗi thuê bao dùng một dãy mã giả ngẫu nhiên riêng không trùng với bất kỳ

một thuê bao nào khác

Tại đầu phát, tín hiệu mang thông tin được trải phổ bằng cách nhân với mã giả

ngẫu nhiên PN ( Pseudo Noise) và cho qua bộ lọc có băng thông bằng độ rộng kênh

Mã giả ngẫu nhiên bao gồm các chuỗi bít được tạo ra từ biến số ngẫu nhiên duy nhất là

điểm khởi đầu của chuỗi Nó có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ tin Tập hợp các

mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:

Mỗi mã phải có thể phân biệt được một cách dễ dàng với một bản sao của

chính nó bị dịch chuyển theo thời gian

Lương Thị Thuận 19 Trường Đại học Công Nghệ

được sử dụng trên mạng

Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín

hiệu gốc nhờ việc giải trải phổ các tín hiệu đồng bộ thu được

CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy cập khác: dung lượng cao hơn

đáng để, khả năng chống nhiễu tốt, bảo mật cao, giảm phađinh đường truyền, bảo đảm

truyền dẫn chất lượng cao và cho phép chuyển vùng mềm giữa các trạm gốc

1.4 Xu thế phát triển của thông tin di động

Hiện nay thông tin di dộng vẫn đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão,

đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về số lượng, chất lượng và loại

hình dịch vụ Về cơ bản có thể chia thành các hướng phát triển như sau:

Phát triển theo chuẩn IMT-2000, được quyết địng bởi ITU, nhằm thống nhất

các hệ thống di động đa năng thế hệ thứ ba ở các khu vực trên thế giới

Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà dùng cho các trụ sở, công ty lớn

(trên tần số cao 18GHz)

Từ những năm 1990 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát

triển hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín

hiệu số hiện đại và công nghệ RF Các kỹ thuật chung cho điều chế, đa truy cập và kỹ

thuật mạng cũng được lựa chọn nhằm đem dich vụ đến tận cá nhân người sử dụng như

PCS (Person Communication Servise) (ví dụ cụ thể như mạng Cityphone) PCN

(Person Communication Network ) là khái niệm mạng mà người dùng có thể thu và

tiến hành cuộc gọi ở bất cứ đâu dùng thiết bị cá nhân nhỏ nhẹ

Phát triển viễn thông kết hợp vệ tinh: Cùng với sự phát triển của công nghệ vũ

trụ , hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên hệ viễn thông kết nối

toàn cầu thích hợp cho mọi địa hình và mọi loại hình

Hiện nay các quốc gia phát triển sau có cơ hội đi nhanh vào các kỹ thuật tiên

tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với phát triển của tương lai [5]

Lương Thị Thuận 21 Trường Đại học Công Nghệ

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG

THÔNG TIN DI ĐỘNG

2.1 Nguyên lý trải phổ

2.1.1 Nguyên lý chung

Nguyên lý trải phổ là cung cấp tất cả các tiềm năng tần số và thời gian đồng

thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao đủ để duy trì

một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín

hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố Theo cách đó mỗi thuê bao

tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất

có thể bằng cách khống chế công suất phát Như vậy một hệ thống được coi là trải phổ

nếu:

Tín hiệu trải phổ (tín hiệu phát) phải có độ rộng phổ lớn hơn nhiều lần độ rộng

phổ của thông tin gốc cần truyền

Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với dữ liệu gốc

Sơ đồ nguyên lý trải phổ như sau:

RF Băng tần gốc

Sóng mang tạp

âm băng rộng Sóng mang hình sin

Sóng mang hình sin

Băng tần gốc

Bộ lọc

RF

Bộ giải điều chế

Dạng sóng digital

Sóng mang tạp âm băng rộng

Có 3 kỹ thuật trải phổ cơ bản:

• Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum)

• Trải phổ nhảy tần (FH/SS – Frequence Hopping Spread Spectrum)

• Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum)

2.1.2 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)

Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 dữ liệu gốc với mã

giả ngẫu nhiên Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK, QPSK…

Máy thu dùng mã giả ngẫu nhiên được tạo ra giống như bên phát cộng module 2 với

tín hiệu thu được, thực hiện giải trải phổ để lấy tín hiệu mong muốn Đây là hệ thống

được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ Là hệ thống tương đối

đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao

2.1.2.1 Kỹ thuật DS/SS – BPSK

Quá trình trải phổ DS/SS - BPSK

Quá trình trải phổ tín hiệu tin được minh hoạ như hình vẽ sau:

Tín hiệu DS/SS - BPSK s(t) = Ab(t)p(t)cos(2πfct + θ(t))

b(t)p(t) p(t)

Bộ tạo

mã PN

b(t)

Bộ tạo sóng mang Acos(2πfct + θ(t))

Hình 10 Quá trình trải phổ DS/SS - BPSK

Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1/Tb được mã hoá theo NZR sao

cho b(t)= ±1 Ta có thể biểu diễn b(t) như sau:

Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu

Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t), p(t) = ±1 là tín hiệu giả

ngẫu nhiên có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb Phần tử nhị phân của chuỗi

p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin Tín

hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế

BPSK Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là:

s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t))

Trong đó: A là biên độ sóng mang

fc là tần số sóng mang

θ(t) là pha của sóng mang được điều chế

Tín hiệu b(t)p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = NTc Dạng sóng của

các tín hiệu khi N = 7 như sau:

Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau:

Dữ liệu nhị phân

Tín hiệu số liệu thu được Điều chế BPSK

Bộ khôi phục sóng mang Acos(2πfct + θ(t))

Hình 12 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK

Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng

thời gian τ là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t) Do đó tín hiệu thu được là:

m(t) = s(t- τ) + n(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} + n(t)

Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm Tín hiệu r(t) tại đầu vào

bộ lọc thông dải (BPF) là:

r(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} 2cos{2πfc(t- τ) + θ(t))}

= Ab(t- τ)p(t- τ) + Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))}

Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ

lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t) Sau đó, thành phần này được nhân với mã nội

tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ

Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có:

x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p2(t- τ) = b(t- τ)

Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm Bản tin

phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ về

mặt thời gian là τ

Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng

cùng với các tín hiệu sóng mang si(t) (i=1,2 N-1) không mong muốn của (N-1)

người dùng khác ở cùng một tần số Do đó tín hiệu thu được sẽ là:

r(t) = s(t) + ∑ si( )t

Trong đó ∑ si( )t = bi(t).pi(t) cosωc(t)

Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là:

x(t) = b(t).p2(t) + ∑ bi( ) ( ) ( )t pi t p t = b(t) +∑ bi( ) ( ) ( )t pi t p t

Do đã chọn p(t), pi(t) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng rất nhỏ

Việc nhân ∑ bi( ) ( )t pi t với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần nữa cho

bản tin bi(t) đã bị trải phổ trước đây Do đó mật độ phổ của tạp âm ∑ bi( ) ( ) ( )t pi t p t

sẽ rất thấp Vì vậy công suất của tạp âm giao thoa trong băng tần của tín hiệu b(t) sẽ

rất thấp

Như vậy, ứng với mỗi một kênh sẽ có một mã trải phổ tương ứng Tại máy

thu, phổ của sóng mang thông tin hữu ích sẽ co hẹp lại còn phổ của các sóng mang

không mong muốn bị trải ra sẽ hạn chế công suất can nhiễu Sử dụng các mã trải phổ

này như khóa để thực hiện đa truy nhập CDMA, chống nhiễu và bảo mật cuộc gọi cao

Mật độ phổ công

suất

Lương Thị Thuận 25 Trường Đại học Công Nghệ

Điều chế bởi b(t).p(t)

Điều chế bởi b(t)

2.1.2.2 Kỹ thuật DS/SS – QPSK

Kỹ thuật này cho phép giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước QPSK

là phương pháp điều chế tổ hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu điều chế Do vậy mà

phương pháp này làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên hai lần với băng cao tần RF cho

trước (hay làm giảm băng RF yêu cầu tới một nửa khi tốc độ mã cho trước) Nhưng độ

lợi xử lý giảm đi nhiều tương ứng với tỉ lệ lỗi bit cao hơn

Bộ điều chế(BPSK)

θ(t) = 7π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 0

Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau là: π/4, 3π/4,

5π/4, 7π/4 Nó được tổ hợp từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π/2 Do đó, nó

được trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau là pI(t) và pQ(t) Tương ứng là hai

quá trình trải phổ độc lập với nhau

Quá trình giải trải phổ DS/SS – QPSK

Tín hiệu số liệu thu được s(t - τ)

Tín hiệu tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) (bỏ qua tập âm):

u(t) = Ab(t- τ) + 2Ab(t- τ)p1(t- τ) p2(t- τ)cos[2πfc ( t- τ) + θ(t- τ)]sin[2πfc (t- τ)

gốc được tín hiệu thu mong muốn

2.1.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH - CDMA)

2.1.3.1 Nguyên lý chung

Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH/SS là sự chuyển dịch sóng mang có tần số được

chọn theo mã trong một tập hợp các tần số Độ rộng toàn bộ băng tần được chia nhỏ

thành các khe tần số không lấn lên nhau Chuỗi mã PN sẽ xác định khe tần số nào

được dùng để truyền tin trong một khoảng thời gian nhất định

Khác với trải phổ chuỗi trực tiếp, ở trải phổ nhảy tần mã trải phổ không trực

tiếp điều chế tín hiệu mà được dùng để điều khiển bộ tổ hợp tần số tạo ra các tần số

khác nhau

Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ số liệu Tương ứng có

hai trường hợp là: nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm

Sơ đồ khối của máy thu và máy phát của hệ thống nhảy tần như sau:

ra

Kênh truyền

Bộ điều chế

Bộ tổ hợp tần số

Bộ tạo

mã PN

Bộ tổ hợp tần số

Bộ giải điều chế

Bộ khôi phục định thời

Đồng bộ

mã

Bộ tạo

mã PN

Hình 16 Sơ đồ khối của hệ thống trải phổ FH

Bản tin nhị phân b(t) cần phát có tốc độ Rb= 1/Tb , được mã hoá NZR Sau đó

được điều chế một sóng mang mà tần số của nó fc(t) được điều khiển bởi một bộ tạo

mã Bộ tổng hợp tần số sẽ tạo ra các chip có tốc độ bit Rc Do đó, tần số sóng mang

được xác định theo một tập hợp của log2N chip ( N là số lượng các tần số sóng mang

có thể có) Mỗi lần nó thay đổi là mã đã tạo ra log2N chip liên tiếp Như vậy, tần số

sóng thay đổi theo các bước Bước của tần số là RH=Rc/log2N

Tại máy thu, sóng mang được nhân với một sóng mang chưa điều chế được

tạo ra giống hệt bên phát Sóng mang này được tạo ra nhờ bộ tạo mã PN giống như

bên phát điều khiển bộ tổ hợp tần số để tạo ra tần một tần số thích hợp Như vậy, Sự

chuyển dịch tần số giả ngẫu nhiên ở bên phát sẽ được loại bỏ tại nơi thu

Điều chế FSK thường sử dụng cho các hệ thống này Giải điều chế là không

kết hợp do tần số sóng mang luôn thay đổi trong quá trình truyền tin

2.1.3.2 Hệ thống FH/SS nhanh

Ở hệ thống FH/SS nhanh, có ít nhất một lần nhảy với một bít số liệu Với T là

chu kỳ của tín hiệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì T/Th ≥ 1 Trong khoảng

thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số j tần số { f0, f0+∆f , f0+2∆f , …

,f0+(j-1)∆f } được phát Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các tần số lân cận, thường

được chọn bằng 1/Th Biểu đồ tần số cho hệ thống FH với tốc độ nhảy tần bằng 3 lần

tốc độ số liệu như sau:

Lương Thị Thuận 29 Trường Đại học Công Nghệ

Hình 17 Biểu đồ tần số của hệ thống FH/SS nhanh với T=3T h

2.1.3.3 Hệ thống FH/SS chậm

Khi tốc độ nhảy tần số của sóng mang trải phổ nhỏ hơn tốc độ dữ liệu ta có hệ

thống trải phổ nhảy tần chậm (T/TH < 1) Về cơ bản thì hai hệ thống trải phổ nhảy tần

chậm và nhảy tần nhanh tương tự nhau Dưới đây là biểu đồ tần số của hệ thống trải

phổ nhảy tần chậm với T/TH= 1/2 :

Hình 18 Biểu đồ tần số của hệ thống FH/SS nhanh với T/TH= 1/2

2.1.4 Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian TH/SS

Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ

phát, thời gian đóng/ mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên

theo mã và đạt được 50 % yếu tố tác động truyền dẫn trung bình Sự khác nhau nhỏ so

với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian

chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch

chuyển dãy mã trong hệ thống TH/ SS Hình (18) là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS

Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế xung

theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/ SS

TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh

theo thời gian Vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ

thống nhằm tối thiểu hóa độ dư giữa các máy phát

Lương Thị Thuận 31 Trường Đại học Công Nghệ

dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có

khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn

Các hệ thống DS/ SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nó ở một phổ

tần rộng Trong các hệ thống FH/ SS ở mọi thời điểm cho trước, những người sử dụng

phát các tần số khác nhau vì thế có thể tránh được nhiễu giao thoa Các hệ thống TH/

SS tránh nhiẽu giao thoa bằng cách tránh không để nhiễu hơn một người sử dụng phát

trong một thời điểm

Có thể thiết kế các hệ thống DS/ SS với giải điều chế kết hợp và không kết

hợp Tuy nhiên, do sự nhảy chuyển tần số phát nhanh rất khó duy trì đồng bộ pha ở

các hệ thống FH/SS vì thế chúng thường đòi hỏi giải điều chế không kết hợp Trong

thực tế các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn do sử dụng giải điều chế kết hợp

nhưng giá thành của mạch pha sóng mang đắt

Với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy tần trên băng

tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS Ngoài ra có thể tạo ra tín hiệu

TH/SS có độ rộng băng tần rộng hơn nhiều độ rộng băng tần của DS/ SS khi bộ tạo

chuỗi của hai hệ thống này cùng tốc độ đồng hồ

Hệ thống FH/SS loại trừ được các kênh tần số gây nhiễu giao thoa mạnh và

thường xuyên, còn DS/SS nhạy cảm nhất với vấn đề gần xa Các hệ thống FH/SS dễ bị

thu trộm hơn so với hệ thống DS/SS

Thời gian bắt mã ở các hệ thống FH/SS ngắn nhất, tuy nhiên máy phát và máy

thu ở hệ thống FH/SS đắt do sự phức tạp của bộ tổng hợp tần số

Các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiều tia và các loại nhiễu.Trong khi

các máy thu DS/SS đòi hỏi các mạch đặc biệt để làm việc tốt trong môi trường nói

trên

2.1.6 Hệ thống lai ( Hybrid )

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 : FH/

DS, TH/ FH, 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 cơ bản đã nói đến ở trên không thể nào có được Một mạch

không cần phức tạp quá có thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho

trước

2.1.6.1 Hệ thống FH/ DS

Hệ thống FH/ DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được

chuyển nhảy một cách định kỳ Phổ tần số của bộ điều chế được minh họa trên hình

(19) Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong

độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện

như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu

FH Hệ thống tổng hợp FH/ DS được sử dụng vì các lý do sau đây:

1 Dung lượng trải phổ

2 Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán

3 Ghép kênh

Hệ thống điều chế tổng hợp các ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã

DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH Ví dụ, trong trường hợp độ

rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ

Lương Thị Thuận 33 Trường Đại học Công Nghệ

tần số có khoảng cách 5 KHz Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu

một bộ tạo mã tức thời 114Mchip/s và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số

Hình 20 Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/DS

Bộ phát tổng hợp FH/ DS như trên hình (20) thực hiện chức năng điều chế DS

nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế ) không

giống như bộ điều chế DS đơn giản Nghĩa là, có một bộ tạo mã để cung cấp các mã

với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân

Bộ điều chế cân bằng

Thông tin đầu vào

Hình 21 Bộ điều chế tổng hợp FH/DS

Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/ DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã

cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh

tần số nhất định Nhìn chung thì tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ nhảy tần Do

số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên

tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng nhiều lần Các

kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã

Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hóa trước

khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu, bộ tương quan FH có một bộ

tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệuthu được

Hình (21) miêu tả một bộ thu FH/ DS điển hình Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ

tương quan giống như bộ điều chế phát trừ 2 điểm sau:

1 Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch

tần số trung gian ( IF )

2 Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc

Giá trị độ lợi xử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/ DS có thể được tính bằng

tổng của độ lợi xử lý của hai loại điều chế trải phổ đó Do đó, giới hạn giao thoa trở

nên lớn hơn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DS đơn giản

Hình 22 Bộ thu tổng hợp FH/ DS

2.1.6.2 Hệ thống TH/ FH

Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê

bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm Với số lượng việc

xác định địa chỉ thuê bao là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn

là một hệ thống trải phổ đặc biệt Khuynh hướng chung là tạo ra một hệ thống chuyển

mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơ bản của hệ thống như là

sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉ phân tán Đó cũng là một hệ thống

cố thể giải quyết các vấn đề liên quan đề khoảng cách Như trên hình (22) ta thấy hai

Lương Thị Thuận 35 Trường Đại học Công Nghệ

một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập Hơn nữa, sự khác nhau về

khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra

nhiều vấn đề Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ

thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ

Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu không thể loại trừ được chỉ

với việc xử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhất định nên

được xác định để tránh hhiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thời điểm

Nếu phương pháp ghép kênh không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường

truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp

một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối

với tương quan mã giữa các đầu mối của hệ thống DS, hệ thống TH được giả quyết

cho trường hợp này Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian

chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác mã tạo ra tại chỗ trong thời gian

chip của mã PN

Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/ mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm

TH- TDM vào hệ thống DS Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/ mở chuyển mạch

có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ

và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/ mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch

cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích

hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản Hình (23) minh họa bộ phát và

thu TH/ DS Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừ phần phía trước và một phần của

bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/ mở của tín hiệu

để nó truyền đi Điều đó nhận được nhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi

dịch này được tạo một cách lặp lại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời

gian Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thừ nhất tồn tại và điều này được lặp

lại với chu kỳ là m Khi chọn bậc ( n- r) và tách ra tất cả các trạng thái của nó thì bộ

tạo mã có tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai chu kỳ mã Như ở trên thì n

biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được

Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫu

nhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên Loại phân chia thực hiện

trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sử dụng kênh để có

nhiều truy cập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diện ghép kênh theo mã đơn

2.2.1 Giới thiệu chung về chuỗi PN

Một dãy ngẫu nhiên nhị phân đơn giản nhất, dãy Bernoulli, đôi khi được xem

như một dãy “xấp ngửa” mà “0” hoặc “1” tương ứng với kết quả “ngửa” hoặc “xấp”

trong một chuỗi các thử nghiệm tung đồng su Nhưng ngay cả dãy ngẫu nhiên nhị phân

đơn giản nhất này cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy thu và máy phát Tuy

nhiên, sự “ngẫu nhiên” trong một dãy Bernoulli cũng có thể được tạo ra nhờ một phép

toán tuyến tính đơn giản được quy địng bởi một số lượng vừa phải các tham số nhị

phân (bit) Do đó, biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi Các dãy

giả ngẫu nhiên này phải có các thuộc tính cơ bản của “sự ngẫu nhiên” như sau:

1 Tính cân đối

Trong một chu kỳ của dãy, số bit “1” và số bit “0” khác nhau nhiều nhất là 1

2 Khoảng chạy

Một bước chạy là một dãy các số ‘1’ liên tiếp hay một dãy các số ‘0’ liên tiếp

Độ dài của bước chạy là số bít trong bước chạy Trong tất cả các bước chạy của một

chu kỳ của chuỗi, để thỏa mãn tính chạy cần có 1/2 bước chạy có độ dài là 1, 1/4

bước chạy có độ dài là 2, 1/8 bước chạy có độ dài là 3 Tổng quát có 1/2r bước chạy

có độ dài r với r < n-1 và 1/2n-1 bước chạy có độ dài n với n là số phần tử nhớ

3 Tính tương quan

Khi so sánh theo kiểu số hạng: so sánh số hạng của một dãy với chính dãy ấy

nhưng bị dịch đi Dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác số

số hạng khác nhau không quá một chỉ số đếm

2.2.2 Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại (dãy- m)

Có nhiều loại mã PN khác nhau được sử dụng trong kỹ thuật trải phổ, trong đó

loại quan trọng nhất là các mã PN được tạo ra từ dãy ghi dịch cơ số hai có độ dài cực

đại hay dãy m Các dãy cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có

mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một dãy thanh ghi dịch tuyến

tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m > 0

g(x) = gmxm + gm-1xm-1 + gm-2xm-2 + + g1x + go (2.8)

Đối với chuỗi cơ số hai có giá trị {0,1} , gi bằng 0 hoặc 1và gm = g0 = 1

Đặt g(x) = 0, ta được sự hồi quy sau:

1 = go+ g1x + g2x2 + + gm-2xm-2 + gm-1xm-1 + xm (2.9)

Với xk thể hiện đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác định các kết nối hồi

tiếp trong mạch thanh ghi dịch như hình (24)

Trong mạch thanh ghi dịch, các mạch XOR thực hiện phép cộng mod 2 Nếu

gi= 1 khóa tương ứng của mạch đóng, nếu gi≠1 thì khóa này mở

Hình 25 Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính

Thanh ghi dịch là một mạch cơ số 2 trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ

Mỗi phần tử nhớ là một Flip-Flop hai trạng thái {1,0} Vì thế số trạng thái khác không

cực đại của mạch là 2m-1 Số này bằng chu kỳ cực đại của chuỗi ra C = (co, c1,

c2, ).Trong hình (24), trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là:

Si = { Si(1), Si(2), Si(3), Si(m)}

Đầu ra của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là:

Ci-m = Si(m)

Thay 1=Ci vào phương trình (2.9) ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra:

Ci = g1ci-1 + g2ci-2 + +gm-1ci-m+1 + ci-m

Hay

Ci+m = g1ci+m-1 + g2ci+m-2 + +gm-1ci+1 + ci (mod 2) (2.10) với i >=0

Như vậy ứng với mỗi đa thức tạo mã nhất định, ta sẽ xác định được giá trị hồi

quy Ci và xây dựng được thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức Số phần tử trong

thanh ghi dịch bằng bậc m của đa thức.Trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều

kiện hồi quy được xác định bởi một đa thức tạo mã g(x) Đầu ra thanh ghi dịch sẽ cho

ta một chuỗi cơ số hai có độ dài cực đại hay chuỗi m

Lương Thị Thuận 39 Trường Đại học Công Nghệ

Đa thức có m = 4 nên có 4 phần tử nhớ (Flip- Flop) Từ đa thức tạo mã, theo

công thức (2.10) ta có điều kiện hồi quy như sau: