Chapter V - Danh gia ve CDMA.doc

Danh gia ve CDMA

Chơng V

Đánh giá về hệ thống THôNG TIN Di động CDMA

5.1 Đánh giá về mặt chất lợng

Hệ thống CDMA có chất lợng dịch vụ cao hơn hẳn các hệ thống khác nh FDMA hay TDMA vì nó sử dụng các phơng pháp sau:

- Đa dạng về phân tập.

- Thực hiện điều khiển công suất.

- Có bộ mã hoá và giải mã thoại có tốc độ biến đổi - Máy di động thực hiện chuyển vùng mềm.

- Có khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi.

5.1.1 Tính đa dạng về phân tập

Nh đã trình bày ở phần trớc trong hệ thống CDMA có sử dụng nhiều cấp phân tập là: Phân tập theo không gian, phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số, và phân tập theo luồng.

Phân tập theo khoảng cách hay theo đờng truyền có thể đạt đợc theo 3 phơng pháp sau:

 Thiết lập nhiều đờng báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc nhiều BS.

 Sử dụng môi trờng đa đờng qua chức năng trải phổ giống nh bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.

 Đặt nhiều anten tại BS.

Các loại phân tập để nâng cao hoạt động của hệ thống CDMA đợc chỉ ra trên hình 1.9 và đợc tóm tắt nh hình vẽ phía dới đây.

+ Phân tập theo thời gian - Chèn mã, tách lỗi và mã sửa sai + Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 MHz.

+ Phân tập theo khoảng cách (theo đờng truyền) - hai cặp anten thu của BS, bộ thu đa đ-ờng và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm).

Hình 5.1: Các quá trình phân tập trong CDMA

5.1.2 Bộ mã và giải mã có tốc độ số liệu biễn đổi

Do trong hệ thống CDMA có sử dụng bộ mã hoá và giải mã có tốc độ số liệu biến đổi nên nó có khả năng cung cấp cho dịch vụ thoại với chất lợng cao Bộ mã hoá thoại làm tăng chất lợng thoại cao nhờ việc thực hiện nén tạp âm nền Với bất cứ một dạng tạp âm nào nh tiếng ồn hay nhiễu đều có thể hầu nh đợc loại bỏ Với những tạp âm nền cố định đợc bộ mã hoá xem nh tạp âm không chứa thông tin và nó thực hiện loại bỏ tạp âm này Khi tạp âm bị loại bỏ thì tín hiệu thoại đợc nâng cao và độ rõ nét của tín hiệu thoại trong các môi trờng, đặc biệt là trong các môi trờng ồn ào nh trong ô tô hay ở những nơi công cộng ồn ào đợc tăng lên rõ rệt.

5.1.3 Máy di động thực hiện chuyển vùng mềm

Trong quá trình máy di động thực hiện chuyển vùng thì nó thực hiện chuyển vùng mềm tực là khi MS chuyển từ ô này sang ô khác thì nó thực hiện nhận tih ở cả hai ô, khi nó chuyển hẳn sang ô mới thì mới thực hiện cắt tín hiệu đối với ô cũ Việc chuyển vùng mềm này cho phép cuộc gọi không bị gián đoạn trong khi MS di chuyển từ trạm gốc này sang trạm gốc khác Do đó trong quá trình thực hiện việc chuyển vùng (Handover) chất l-ợng thông tin thoại của cuộc gọi hoàn toàn không bị ảnh hởng.

5.1.4 Thực hiện điều khiển công suất

Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA không chỉ có khả năng làm tăng dung lợng của hệ thống mà còn có khả năng tăng chất lợng thoại bằng phơng pháp làm giảm tới mức tối thiểu và chống lại ảnh hởng của nhiễu.

Ngoài ra việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA còn nhằm làm giảm tới mức tối thiểu mức cờng độ tín hiệu tổng có thể đủ đẻ duy trì chất lợng của cuộc gọi, và đồng thời việc điều khiển công suất của máy di động sẽ làm cho thời gian sống của pin MS sẽ lâu hơn.

5.1.5 Vùng phủ sóng lớn

Nh ta đã biết giới hạn của vùng phủ sóng chính là khoảng không gian mà trong khi máy di động di chuyển trong đó có thể thực hiện gọi và nhận cuộc gọi bình thờng Giới hạn của vùng phủ sóng phụ thuộc vào chất lợng của cuụoc thoại mà hệ thống có thể đáp ứng đợc, nói chính xác là tỷ số C/I có thể chấp nhận đợc.

Trong hệ thống CDMA thì tỷ số này chính là tỷ số Eb/No và yêu cầu giá trị nhỏ nhất của nó là 6,5dB Trong khi đối với các hệ thống khác giá trị này lớn hơn nhiều, cụ thể là trong hệ thống GSM thì giá trị này là 12,7dB Do đó ta thấy rằng giá trị của điểm đặt chất lợng của hệ thống CDMA là nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống TDMA Hệ thống CDMA thực sự có nhiều u điểm hơn hệ thống TDMA là do các nguyên nhân sau:

 CDMA tuân theo lý thuyết Shannon thứ nhất để tối thiểu hoá các bit đợc truyền dẫn trong phạm vi lớn nhất.

 CDMA tuân theo lý thuyết Shannon thứ hai và thứ ba cũng nh lý thuyết Nyquyst để đảm bảo cho công suất phát đi là tối thiểu, chống lại ảnh hởng của fading.

 Hệ thống CDMA cho phép sử dụng đồng thời nhiều trạm gốc và do đó có khả năng chống lại ảnh hởng của các che khuất lớn hơn.

Với các kết quả này thì vùng phủ sóng của hệ thống CDMA lớn hơn vùng phủ sóng của các hệ thống TTDĐ khác rất nhiều.

5.2 Đánh giá về mặt dung lợng5.2.1 Dung lợng của hệ thống CDMA

Trong hệ thống thông tin di động tế bào Cellular, để đánh giá về dung lợng của hệ thống thông thờng ngời ta dựa vào các tiêu chuẩn sau:

- Số ngời sử dụng trên một độ rộng băng tần - Số ngời sử dụng trong một tế bào.

- Tổng số ngời sử dụng trên một vùng diện tích đợc bao phủ của các tế bào.

Dung lợng của hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng ký thuật trải phổ bị giới hạn bởi nhiễu, trong khi dung lợng của các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống bị giới hạn bởi số kênh tín hiệu không gây ra nhiễu nhờ vào sự sắp xếp chúng theo thời gian hay theo tần số Do dung lợng của hệ thống trải phổ phụ thuộc vào nhiễu nên việc điều khiển công suất là rất quan trọng đối với dung lợng của toàn hệ thống.

Trong hệ thống CDMA thì dung lợng của nó đợc xác định theo công thức sau đây:

Eb/No: Tổng năng lợng bit trên mật độ tạp âm nhiễu Vd: Hệ số tích cực của tiếng nói.

C : Số sector trên một tế bào.

Fr: Hệ số tái sử dụng tần số.

f: Tỷ số của tổng nhiễu trung bình của các tế bào khác trên nhiễu trung bình của các ngời sử dụng khác trong cùng một tế bào.

Từ công thức trên ta nhận thấy trong hệ thống CDMA số ngời sử dụng N luôn luôn tỷ lệ nghịch với tỷ số Eb/No Tỷ số Eb/No càng nhỏ thì dung lợng của hệ thống càng lớn và ngợc lại Eb/No càng lớn thì dung lợng của hệ thống càng nhỏ.

Mặt khác ta thấy tỷ số Eb/No lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nh: Các phơng pháp điều chế đợc sử dụng, tỷ số lỗi bit BER (Bit Error Rate), tốc độ của dữ liệu thông tin, suy hao của đờng truyền, các ảnh hởng của các luồng với nhau và hiện tợng fading… Hệ Hệ thống CDMA đang đợc sử dụng và thử nghiệm trên toàn cầu hiện đang sử dụng tiêu chuẩn của tỷ số Eb/No là 6,5dB Một đặc điểm nổi trội của ký thuật CDMA so với các ph -ơng thức đa truy nhập khác là CDMA cho phép phát hiện ra các thành phần đa luồng và sử dụng máy thu RAKE để tổ hợp các tín hiệu thực tế này để thu đợc các tín hiệu có tỷ số Eb/No tốt hơn.

Tín hiệu đi sử dụng phơng thức mã hoá trực giao, mã hoá này làm cho tăng khae năng chống nhiễu Việc mã hoá khối cung cấp cho khả năng chống lại lỗi cụm và mã hoá xoắn cung cấp cho khả năng làm giảm giá trị Eb/No theo yêu cầu Hệ thống CDMA có khả năng điều khiển công suất làm cho chất lợng thoại và tỷ số lỗi bit BER ổn định.

5.2.2 So sánh về dung lợng của hệ thống CDMA và TDMA

Để xem xét về dung lợng của một hệ thống thông tin ta cần phải xem xét trên hai

Trong hệ thống TDMA thì dải băng tần đợc dành cho mỗi kênh vô tuyến là 200KHz/kênh Do đó số kênh có sẵn trong toàn bộ dải băng tần 12,5 MHZ của hệ thống này là:

12,5MHz/200KHz = 62 kênh

Giả sử trong trờng hợp mỗi ô đợc chia thành 3 sector, đồng thời hệ số tái sử dụng tần số là 3/9, thì khi đó số kênh là 31 kênh Giả thiết có 7,25 cuộc gọi trên mỗi kênh vô tuyến (8 kênh thoại cho một kênh vô tuyến và 0,75 kênh cho phần mào đầu) Khi đó số cuộc gọi trên mỗi sector là: 31x7,25/3 = 75 cuộc gọi.

Trong trờng hợp TDMA mở rộng, số lợng kênh có thể tăng lên do sử dụng bộ mã hoá có tốc độ thấp nh 5kbps, ở tốc độ này có thể làm tăng dung lợng của hệ thống lên gấp đôi Ký thuật này dùng phơng pháp nội suy tiếng nói Ký thuật nội suy tiếng nói cho phép sử dụng những khoảng dừng tín hiệu thoại của một ngới sử dụng để cung cấp cho một khe

thời gian của ngời sử dụng khác đang hoạt động trong khoảng dừng này Về mặt lý thuyết, sử dụng bộ mã hoá có tốc độ ẵ này cho phép sử dụng 232 kênh / 1 sector.

Trong hệ thống CDMA cũng trong dải tần 1.25MHz dung lợng của hệ thống đợc xác định nh sau: Có 64 mã Walsh đợc sử dụng ở băng tần 1.25MHz Giả thiết có 60 kênh lu lợng, khi đó giới hạn dung lợng tổng cộng là 1800 ngởi sử dụng trong một tế bào đợc phân chia thành 3 sector Nhng thực tế dung lợng của hệ thống bị giới hạn nh ta đã thấy trong công thức ở trên Ta sử dụng giá trị Eb/No là 6.5dB và giá trị này cho phép hệ thống làm việc ở một giá trị chấp nhận đợc Hệ số tái sử dụng tần số là 1, chu kỳ hoạt động của tiếng nói là khoảng từ 35-40% Tốc độ số liệu tối đa là 9.6 Kbps, nhng dung lợng kênh trung bình đợc tăng lên bằng cách biến đổi dòng số liệu có tốc độ thấp hơn trong khoảng thời gian không có tín hiệu thoại ở kênh, điều này cho phép tốc độ trung bình của dòng dữ liệu giảm xuống và dung lợng của hệ thống tăng lên 2.5 lần Theo những điều kiện này thì dung lợng tối đa của hệ thống là 245 ngời sử dụng / 1 sector.

Trong thực tế cả dung lợng của hai hệ thống TDMA và CDMA đều nhỏ hơn con số tính toán trên lý thuyết Cả hai hệ thống GSM và TDMA mở rộng đều có thể có khả năng nâng cao dung lợng lớn hơn 10 lần dung lợng của hệ thống AMPS dùng phơng thức đa truy nhập theo tần số FDMA Hệ thống TDMA mở rộng nếu xét về mặt lý thuyết có dung lợng lớn gấp 12 lần dung lợng của hệ thống FDMA, còn đối với hệ thống CDMA thì xét về mặt lý thuyết trong cả điều kiện xấu nhất thì dung lợng của nó cũng vẫn rất lớn gấp 13 lần dung lợng của hệ thống FDMA Nhng trong thực tế thì dung lợng của hệ thống TDMA còn có những hạn chế do hiện tợng fading nên nó không thể đạt đợc dung lợng nh tính ở trên Đối với hệ thống TDMA sự điều khiển công suất không hoàn hảo còn có thể làm giảm dung lợng của hệ thống đi 21%, trong khi việc thực hiện điều khiển công suất động trong hệ thống CDMA có thể làm tăng dung lợng của hệ thống lên 2.5 lần.

TDMA dễ bị ảnh hởng của nhiễu đa đờng hơn là hệ thống CDMA và phụ thuộc nhiều vào khoảng cách Các hệ thống TDMA có 3 biện pháp để làm giảm ảnh hởng của nhiễu nh: sử dụng nhảy tần ngẫu nhiên, giành kênh hiệu chỉnh ACA (Adaptive Channel Allocation) và các bộ hiệu chỉnh hay các đờng dây trễ

Hệ thống TDMA mở rộng cũng đã có những biện pháp để có gắng làm giảm ảnh hởng của nhiễu bằng cách sử dụng ACA Các lỗi do kênh fading Reyleigh đợc ngăn ngừa bằng cách sử dụng các ký thuật dùng bộ cân chỉnh Dùng bộ kênh mã hoá tốt hơn, trộn và một số ký thuật làm giảm fading theo tần số thông qua việc sử dụng ký thuật chèn Hệ thống GSM tiên tiến kết hợp cả ký thuật nhảy tần số để làm giảm ảnh hởng của nhiễu và fading theo tần số Cần chú ý rằng kỹ thuật này đợc sử dụng để cải thiện đặc tính của những kênh mà yêu cầu không có fading hay suy giảm chất lợng kênh.

Tất cả những ký thuật này đợc sử dụng để cảu thiện đặc tính của hệ thống TDMA cơ bản Trong khi đó hệ thống CDMA không cần phải sử dụng ký thuật này vì chính bản thân hệ thống có khả năng chống lại các tác động của nhiễu Trong trờng hợp đa luồng thì đối với hệ thống TDMA cần phải sử dụng bộ cân bằng có điều chỉnh Đa luồng tạo ra sự tễ hay tán sắc về mặt thời gian Tất cả các hiệu chỉnh để làm giảm fading cần phải làm nh vậy bởi vì hiện tợng đa tần số ảnh hởng lên từng băng tần khác nhau là khác nhau.

Trộn bit là một dạng của phân tập theo thời gian Mục đích của bộ cân bằng có hiệu chỉnh là để lấy ra các thông số cân bằng cần thiết Nó đợc thực hiện bằng các lấy mẫu các đáp ứng xung của kênh Đáp ứng xung của kênh có đợc từ các chuỗi các mẫu xung dung lợng đã biết và cần phải đợc khôi phục laị trong mỗi khe thời gian.

Đối với CDMA thì đa luồng lại có lợi vì máy thu CDMA sử dụng các bộ thu RAKE và sử dụng ký thuật mã hoá và giải chèn Khi trễ truyền dẫn kênh là rất nhỏ, chỉ có hệ thống CDMA là có thể chống lại các ảnh hởng của đa luồng Trong trờng hợp CDMA sử dụng mã hoá xoắn trực giao và các mã Walsh đã có thể chống lại hiện tợng fading Với hệ thống GSM mã hoá xoắn cũng đợc sử dụng nhng không có khả năng chống lại fading nh đối với hệ thống CDMA Tất cả các hệ thống TDMA sử dụng mã kiểm tra d vòng CRC cùng với việc trộn khối Khả năng sửa lỗi của hệ thống CDMA hơn hẳn hệ thống TDMA Mã trong hệ thống TDMA có thể phát hiện sửa đợc 3 lỗi, trong khi đó đối với hệ thống CDMA mã trực giao có thể phát hiện và sửa đợc tới 4 lỗi Và trong thực tế mã hoá xoắn siêu trực giao (super orthogonal convolution codes) có đặc tính vợt trội hơn so với loại mã trực giao của CDMA.

Ta cũng có thể tổng kêt các u điểm của CDMA thông qua tính đa dạng về phân tập của nó: phân tập theo luồng, phân tập theo tần số, phân tập theo không gian và phân tập theo thời gian Sử dụng bộ thu RAKE đá phần nào có thể giải quyết đợc hiện tợng phân tập theo không gian mà không càan bộ cân bằng có hiệu chỉnh Bộ trộn bit là một dạng của phân tập theo thời gian, bộ trộn bit của hệ thống CDMA tạo ra đặc tính tốt hơn bộ trộn khối của hệ thống TDMA Bộ mã hoá xoắn kết hợp với ký thuật trộn bit đã làm cho hệ thống CDMA có khả năng chống nhiễu tốt hơn hẳn so với hệ thống TDMA Ký thuật chuyển vùng mềm là một dạng khác của việc phân tập theo luồng mà trong ký thuật TDMA không thể có đợc.

Về dung lợng thực tế của các hệ thống FDMA, TDMA và CDMA thì trong trờng hợp hệ thống chỉ có 1 cell thì hệ thống CDMA có dung lợng là nhỏ nhất trong 3 hệ thống Trong trờng hợp hệ thống có nhiều cell (multi cell) thì hệ thống CDMA có dung lợng hơn hẳn so với hệ thống FDMA nhng vẫn kém hệ thống TDMA Trong trờng hợp mạng có nhiều cell và các cell đợc chia ra thành các sector (thông thờng là 3 sector) đồng thời có xét đến tính tích cực của tín hiệu thoại thì dung lợng của hệ thống CDMA là vợt trội hơn cả (Nó lớn gấp 10 lần so với hệ thống FDMA và gấp 2 lần so với hệ thống TDMA)

5.3 đánh giá về khả năng cung cấp các dịch vụ

Nh ta đã biết thì hệ thống CDMA có thể mở rộng băng tần sử dụng của nó lên đến 2,5MHz nên hệ thống rất linh hoạt trong việc cung cấp các dịch vụ cho khách hàng cũng nh các yêu cầu của khách hàng Thông thờng đối với mỗi khách hàng thì nhu cầu của họ là cần đợc giao tiếp và trao đổi thông tin thông qua hệ thống Vì vậy yêu cầu của hệ thống là đáp ứng đợc khả năng thông tin tại bất kỳ thời gian nào, tại bất cứ nơi nào và với cớc phí chấp nhận đợc và chất lợng thông tin cao

Hệ thống CDMA có khả năng cung cấp các dịch vụ với chất lợng cao nhờ vào việc thiết kế tối u của nó, do đặc điểm này mà CDMA lại rất linh hoạt trong các môi trờng hoạt động, dù đang trong bất kỳ một phợng tiện chuyển động nào nh ôtô hay tàu hoả, trên

đờng phố hay trong nhà thì do việc thiết kế tối u nên CDMA đều tạo ra đợc các đặc tính nổi trội của mình Hệ thống CDMA còn có những khả năng hoạt động đồng thời cùng với các hệ thống khác nh: PSTN, ISDN v.v

Hệ thống CDMA linh hoạt trong việc cung cấp các dịch vụ, ngoài các dịch vụ truyền dẫn thoại thì hệ thống CDMA còn có một điểm rất mạnh nữa là nó có thể dùng để cung cấp cho các dịch vụ băng rộng nh các dịch vụ vô tuyến số khác Ngày nay do nhu cầu thông tin truyền số liệu bằng hệ thống vô tuyến ngày càng tăng do có sự phát triển mang tính bùng nổ của các dịch vụ nh: E-mail, Fax, tín hiệu Video ở dạng số nén, các dịch vụ cơ sở dữ liệu và các dịch vụ số tích hợp, dịch vụ hộp th thoại, dịch vụ WAP dùng máy di động để có thể truy cập vào Internetvaf sử dụng đợc các dịch vụ do Internet cung cấp v.v thì tất cả các dịch vụ này hệ thống CDMA đều có thể đáp ứng đợc Đây là một u điểm lớn của hệ thống CDMA mà các hệ thống thông tin di động khác không có đợc.

Đồng thời với khả năng điều khiển công suất mà công suất đầu ra của máy di động sử dụng trong hệ thống CDMA có thể giảm xuống tới mức 2 mw, trong khi đối với hệ thống GSM-TDMA thì công suất đầu ra của máy di động là 12 mw Do vậy mà CDMA có thể cung cấp thời gian đàm thoại lâu hơn, thời gian tồn tại của pin đợc kéo dài hơn và vùng phủ sóng của hệ thống CDMA rộng hơn

Chính vì những u điểm trên mà làm cho hệ thống CDMA là một hệ thống sẽ đợc triển khai và trở thành hệ thống đợc lựa chọn của khách hàng trong tơng lai gần đây.