lý thuyết và ứng dụng trong mạng CDMA.doc

lý thuyết và ứng dụng trong mạng CDMA

Mục lục

Lời nói đầu

Phần i Tổng quan về lý thuyết trải phổ và các ứng dụng trong mạng CDMA

Chơng 1 Tổng quan về hệ thống điện thoại di động cellular………4

1.1 Giới thiệu chung ……… 4

2.2 Các dãy giả ngẫu nhiên ( chuỗi PN ) ……… 20

2.3 Các thuộc tính của chuỗi ……….21

2.4 Bộ tạo các tín hiệu giả ngẫu nhiên ……… 23

2.5 Các chuỗi đa truy nhập và trải phổ đặc biệt ………23

3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép ………

3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian ……….

6.2 CDMA với các phơng pháp điều chế khác và mã hoá kênh …………

6.3 CDMA ở các kênh fading nhiều tia ………

Chơng 7 Thiết kế giao diện cho hệ thống CDMA ………

7.1 Dung lợng CDMA ………

7.2 Dạng sóng liên kết ………

7.3 Điều khiển công suất CDMA ……….

7.4 Thiết lập và điều khiển mạng ……….

7.5 Chuyển giao ở CDMA ………

8.4 Vô tuyến đa truy nhập sử dụng nhảy tần ………

phần ii Ngiên cứu về vấn đề đồng bộ chuỗi PN trong hệ

1.2.1 Vòng bám khoá trễ với giải điều chế không liên kết …………

1.2.2 Vòng khoá chia thời gian ……….

1.2.3 Mạch vòng cải tiến khoá trễ ……….

Chơng 2 Sơ đồ khối và mô hình cụ thể ………

Phụ lục:

Các từ viết tắt Tài liệu tham khảo.

Lời nói đầu

Thế kỷ 21 đã và đang chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng Kỹ thuật trải phổ sẽ trở thành nền tảng cho nhiều công nghệ vô tuyến mới Kỹ thuật trải phổ đã đợc nghiên cứu và ứng dụng trong quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này mới đợc nghiên cứu và áp dụng thành công trong các hệ thống thông tin vô tuyến cellular Các phần tử cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên Có thể coi rằng Sol Golomb là ngời đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề này trong các công trình của ông vào những năm 1950 Những năm tiếp theo đó, rất nhiều bài báo đã chỉ ra rằng các hệ thống thông tin CDMA có thể đạt đợc dung lợng 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 chuỗi trực tiếp đã đợc xây dựng vào những năm 1950 Thí dụ về các hệ thống đầu tiên là : ARC-50 của Magnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55 , USC-28 Trong các báo cáo của mình (

năm 1966 ) các tác giả J.W.Schwartz , W.J.M.Aein và J.Kaiser là những ngời đầu tiên so sánh các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA Các thí dụ khác về các hệ thống quân sự 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 lợng thông tin di động đã nảy sinh từ những năm 1980 Tình trạng này đã tạo ra cơ hội cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một phơng án thông tin di động số mới Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động số mới ngời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ (CDMA) Đợc thành lập năm 1985 , Qualcom , sau đó đợc gọi là “ thông tin Qualcom “ (Qualcom communications ) đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận đợc nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Qualcom đã da ra phiên bản CDMA đầu tiên đợc gọi là iS-95A Hiện nay phiên bản mới IS-2000 đã đợc đa ra cho hệ thống thông tin di động thứ 3

Trong lĩnh vực thông tin di động vệ tinh ngày càng nhiều hệ thống tiếp nhận sử dụng công nghệ CDMA Các thí dụ điển hình về việc sử dụng công nghệ này cho thông tin vệ tinh là : Hệ thống thông tin di đông vệ tinh quỹ đạo thấp ( LEO – Low Earth Orbit ) Loral/Qualcom Global Star sử dụng 48 vệ tinh , hệ thống thông tin di động vệ tinh quỹ đạo trung bình (MEO – Medium Earth Orbit ) TWR sử dụng 12 vệ tinh

Lý thuyết trải phổ là một vấn đề rất khó và phức tạp , vì thế bài viết của em không khỏi mắc phải những thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn những ý kiến chỉ bảo của GS.PTS Hồ Anh Tuý cùng các thầy cô và bạn bè để hoàn thành tốt báo cáo này.

Chơng1 Tổng quan về hệ thống điện thoại di độngCellular

1.1 Giới thiệu chung

Mạng viễn thông tổ ong là một trong những ứng dụng của kỹ thuật viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất Ngày nay nó chiếm số phần trăm lớn và không ngừng tăng trong toàn bộ các thuê bao thế giới Trong tơng lai lâu dài các hệ thống tổ ong sử dụng kỹ thuật số đặc biệt là kỹ thuật CDMA đầy triển vọng sẽ trở thành phơng thức thông tin vạn năng

ở châu Âu tồn tại một số hệ thống tổ ong tơng tự lớn nh NMT(Nordic mobitelephone- Điện thoại di động bắc Âu) và TACS (Tortal Access Communication System- Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ ) ở vơng quốc Anh Các nớc ở Tây Âu cũng cung cấp các dịch vụ tổ ong Chất lợng, dung lợng và vùng phủ rất đa dạng nhng yêu cầu hầu nh đã vợt xa dự tính Tuy nhiên hầu hết các hệ thống này chỉ dùng trong nớc, không sử dụng đợc điện thoại di động ngoài nớc, từ tình trạng này rõ ràng cần phải có một hệ thống chung để sử dụng điện thoại di động rộng dãi trên toàn châu Âu.

GSM (Globe System for Mobile communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu), với tiêu chuẩn viễn thông số tổ ong số toàn châu Âu mới, sẽ giải quyết sự hạn chế dung lợng hiện nay Thực chất dung lợng sẽ tăng từ 2 đến 3 lần nhờ việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật ô nhỏ, do vậy số thuê bao đợc phục vụ sẽ tăng lên GSM là tiêu chuẩn điện thoại di động số toàn châu Âu do ETSI (Viện tiêu chuẩn viẽn thông châu Âu ) đa ra năm 1991, hoạt động ở dải tần 900, 1800, 1900 MHz GSM đợc phát triển nhanh chóng bởi có chuẩn quốc tế, áp dụng công

nghệ số đảm bảo chất lợng thoại và sử dụng hiệu qủa tài nguyên hệ thống Ngày nay, GSM có mặt tại khoảng 135 nớc trên thế giới.

GSM là một tổ hợp các giải pháp bao gồm hệ thống chuyển mạch kênh, hệ thống chuyển mạch gói, nút điều khiển vô tuyến và các trạm thu phát gốc; cơ sở dữ liệu mạng, các dịch vụ cơ bản và các nút quản lý mạng Dễ dàng vận hành bảo dỡng (O&M) đợc tích hợp trong mạng thông minh (IN/GSM) GSM cũng làm việc với các kỹ thuật IP và kỹ thuật gói và là một nền tảng chính h ớng tới hệ thống viễn thông di động phổ biến (UMTS) trong di động thế hệ thứ 3 và hơn nữa.

Lu động (Roaming) quốc tế cho phép các thuê bao chuyển động ở toàn bộ vùng phủ sóng của GSM là hoàn toàn tự động, hệ thống sẽ tự động cập nhật thông tin về vị trí của thuê bao GSM cung cấp một số tính năng nh thoại, thông tin số liệu tốc độ cao, facimile và dịch vụ bản tin ngắn.

- Các dịch vụ truyền dữ liệu dị bộ và đồng bộ (2,4/4,8,9,6kbps) - Truy nhập mạng chuyển mạch gói (X25)

- Các dịch vụ khác nh SMS, FAX, VideoText

- Các dịch vụ gia tăng (Chuyển cuộc gọi, hiển thị số chủ gọi, VMS ) - Truy nhập internet - WAP, Email

1.2 Cấu hình hệ thống

Hệ thống GSM đợc chia thành hệ thống con chuyển mạch (SS - Switching Subsystem), hệ thống con trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem) và hệ thống khai thác con bảo dỡng (OSS - Operation SubSystem) Hệ thống BSS là một mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng của vùng phục vụ Mỗi ô có một trạm thu phát gốc (BTS - Base Transceiver Station) làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến Các kênh vô tuyến này khác với các kênh vô tuyến đợc sử dụng ở các ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa hệ thống Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển một nhóm BTS BSC điều khiển các chức năng nh thực hiện chuyển giao và điều khiển công suất tại MS, quản lý kênh vô tuyến… Hệ thống chuyển mạch di động gồm các tổng đài di dộng MSC Một tổng đài chuyển mạch di động (MSC) quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc, MSC điều khiển các cuộc gọi giữa mạng di động tổ ong và mạng điện thoại

(PLMN), các mạng số liệu công cộng (PDN) và có thể là các mạng riêng khác Hệ thống khai thác bảo dỡng OSS có nhiệm vụ chính là theo dõi tổng quan hệ thống và hỗ trợ các hoạt động bảo dỡng của các đơn vị khai thác và bảo dỡng mạng Với các thông tin thống kê về trạng thái trong toàn mạng, OSS đảm bảo khai thác mạng với hiệu quả cao nhất, chất lợng dịch vụ cao nhất có thể.

Sơ đồ mô hình của hệ thống GSM đợc mô tả nh ở hình 1.1 dới đây :

Công nghệ GPRS (General Packet Radio Service)

Dịch vụ vô tuyến gói đa năng (GPRS): Là một chuẩn của viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu ETSI trong dữ liệu gói trên hệ thống GSM hay còn gọi là công nghệ GSM 2,5 G Mạng GPRS đợc xây dựng trên cơ sở mạng GSM nhằm cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên giao thức internet trên nguyên tắc tận dụng tối đa các thiết bị sẵn có.

Ngày nay, có ba phơng thức truyền dữ liệu thông tin bên trong mạng di động GSM :

 Sử dụng các dịch vụ truyền thông tin số không hạn chế GSM UDI  Sử dụng thông tin ngắn với SMS

 Sử dụng một dịch vụ truyền audio ở tần số 3,1 kHz

Trong đó, dịch vụ truyền dữ liệu dựa trên các hệ thống chuyển mạch kênh đợc sử dụng nhiều nhất Mạng di động GSM hiện tại chỉ cho phép đạt tốc độ truyền dẫn tối đa là 9,6kb/s qua một kênh lu lợng TCH (nhỏ hơn rất nhiều lần con số 56,6Kbps mà một kết nối internet truyền thống có thể đạt đợc).

 Công nghệ GPRS là giải pháp truyền thông IP giữa các thuê bao GSM và các máy chủ dịch vụ internet GPRS cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao trên hạ tầng mạng GSM, khắc phục đợc các nhợc điểm chính của truyền số liệu qua mạng di động GSM truyền thống bằng cách chia nhỏ số liệu thành từng gói nhỏ rồi truyền đi theo một trật tự quy định trên một hoặc vài khe thời gian đợc chỉ định trên một đờng vô tuyến ( có thể cả 8 Ts)

 Các u điểm của GPRS:

- Sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến.

- Đa ra phơng thức tính cớc linh hoạt dựa trên khoảng thời gian kết nối có đợc trao đổi dữ liệu thực sự.

- Thời gian thiết lập, truy nhập dịch vụ nhanh.

- Tính hiệu quả của chuyển mạch gói dữ liệu trong mạng GSM - Đợc phát triển kế thừa dựa trên cơ sở hạ tầng GSM.

- Cung cấp khả năng kết nối với các mạng dữ liệu gói khác dựa

- Phân hệ chuyển mạch: Để nâng cấp lên GPRS, tại phân hệ chuyển mạch GSM cần đầu t các thiết bị:

- SGSN (Servicing GPRS Support Node): Thiết bị chuyển mạch gói.

- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Thiết bị cổng cung cấp các giao diện kết nối GSM PLMN với các mạng IP khác.

- Nâng cấp phần mềm tại HLR, Billing System  Sơ đồ cấu trúc mạng GSM/GPRS:

Hình 1.2 Cấu trúc mạng GPRS

1.3 Sự phát triển của hệ thống cellular

1.3.1 FDMA

Nhiều ngời đã làm quen với FDMA Với FDMA, ngời dùng đợc cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Nếu số kênh có sẵn nhiều hơn 15, thì có thể đạt đợc hiệu suất trung kế cao nhất bằng cấp phát ban đầu từ kênh điều khiển chung ; tất cả các MS đợc khởi tạo một cuộc liên lạc lấy sự chỉ dẫn từ kênh điều khiển chung này Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp Khi MS bật nguồn để làm việc, thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng Nhờ kênh này, MS nhận đợc dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lu lợng ngời dùng Sự báo hiệu giống nh bảng chỉ dẫn

Các cơ quan quản lý nhà n

chính xác dải tần số thông tin di động Khi số thuê bao nhiều vợt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số ngời dùng bị chặn không đợc truy cập Phổ tần số quy định cho liên lạc di động đợc chia thành 2N dải tần số kế tiếp cách nhau một dải tần phòng vệ Mỗi dải tần số đợc gán cho một kênh liên lạc, N dải kế tiếp dành cho liên lạc hớng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành cho liên lạc hớng xuống Đặc điểm: Mỗi MS đợc cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cellular Hệ thống FDMA điển hình là AMPS (Advanced Mobile Phone System), nh đợc trình bày sau đây:

1.3.2 AMPS (Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến).

AMPS là một hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT & T và Motorola -Mỹ đề xuất sử dụng vào năm 1982 Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số có giới

hạn nên vùng phục vụ rộng của nó đợc phân chia thành các ô nhỏ và dịch vụ cung cấp sử dụng một tần số nhất định với một công suất nhỏ để cho phép các BS ở cách xa một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó một cách đồng thời Sau đó, ngời ta coi vùng phục vụ tơng ứng nh một hình lục giác để làm đơn giản hoá việc thiết kế và tính toán lý thuyết về mạng điện thoại di động.

Tái sử dụng tần số liên quan đến việc định vị các BS để tái sử dụng các tần số chính xác, không phải sử dụng cùng một tần số giữa các BS kề nhau mà chỉ sử dụng lại ở một khoảng cách nhất định hoặc xa hơn nhằm làm giảm giao thoa giữa các kênh giống nhau Hình 1.3 đa ra các mẫu tái sử dụng tần số khác nhau.

Hình 1.3 Mẫu tái sử dụng tần số

Trên hình 1.3 ta thấy các cụm mẫu tái sử dụng tần số của các BS với tất cả các băng tần có thể, số lợng các ô trong cụm đó đợc gọi là yếu tố tái sử dụng tần số (K).

Hình 1.4: Búp sóng của anten định hớng

Trong trờng hợp này thì hiệu quả tái sử dụng tần số tăng lên nếu một anten định hớng đợc sử dụng tại BS vì giao thoa tần số chỉ ảnh hởng đến các BS sử dụng cùng một kênh trong anten phát xạ định hớng và vì vậy mà giao thoa của các kênh chính tăng (thông thờng sử dụng vùng phủ sóng 120o).

Khi xuất hiện trạng thái chuyển vùng thì tín hiệu đã đợc kết nối với BS có khả năng thu nhận tín hiệu tốt Trong trạng thái chuyển vùng thì kênh bị ngắt trong một khoảng thời gian ngắn (150 ms) và chuyển vùng sẽ bị trì hoãn hoặc bị cản trở trong trờng hợp không có kênh trong ô mới.

Dịch vụ chuyển vùng ngoài hệ thống thông thờng có thể đợc cung cấp trong một vùng phục vụ khác, do một hệ thống khác điều khiển mà thuê bao nói đến không đăng ký.

Bảng 1.1 đa ra các so sánh về tham số của 4 hệ thống thông dụng.

Điều chế kênh điều khiển FSK FSK FFSK FFSK Độ lệch kênh điều khiển 8 KHz 6,4 KHz 3,5 KHz 3,5 KHz Mã kênh điều khiển Manchester Manchester NRZ NRZ Dung lợng kênh điều khiển 77000 62000 13000 13000

Khả năng công nghệ và mã hoá thoại và nén dữ liệu cho phép trừ bỏ độ d và khoảng lặng trong truyền thoại, cũng cho phép giảm thời gian truyền để trình diễn tín hiệu thoại.Trong thông tin TDMA thì nhiều ngời sử dụng một sóng mang và trục thời gian đợc chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để giành cho nhiều ngời sử dụng sao cho không có sự chồng chéo Các thuê bao truy cập kênh theo một chơng trình Hệ thống thông tin di động TDMA đặt TDMA lên trên nền FDMA…, nó sử dụng kỹ thuật nén số đối với thoại để nhiều ngời sử dụng một kênh chung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao đợc cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung… GSM phân chia thuê bao vào các kênh tần số theo kỹ thuật FDMA đơn giản Các thuê bao chung kênh tần số lại đợc chia riêng từng thuê bao một khe trời gian trong cấu trúc khung tuần hoàn 8 khe Khe thời gian GSM dài 577 s Một khung GSM dài 8x577=4.614 s.

Đặc điểm: Tín hiệu của thuê bao đợc truyền dẫn số Liên lạc song công mỗi hớng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau Giảm nhiễu giao thoa Giảm số máy thu phát ở BTS Pha đinh và trễ truyền dẫn là những vấn đề kỹ thuật rất phức tạp: ISI (giao thoa giữa các ký hiệu ), mất đồng bộ…

Hình 1.5 Định thời phát thu với giả thiết có 3 kênh.

Hình 1.5 trình bày định thời các khe thời gian trong hệ thống TDMA Do việc thu và phát không đồng thời nên không cần chuyển mạch thu-phát Khoảng trống là thời gian dùng để đo mức thu ở trạm gốc lân cận

TDMA đợc chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhng cả 2 hệ thống này đều có thể đợc coi nh là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì ngời sử dụng thực tế dùng các kênh đợc ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ sử dụng băng tần (869 - 894) MHz và (824 - 849) MHz giống nh hệ thống AMPS Khoảng cách sóng mang là 30 KHz và mỗi kênh tần số đợc chia thành 6 khe thời gian Hệ thống này mã hoá tín hiệu thoại theo mã VSELP (dự đoán tổng vectơ tuyến tính tồn tại), điều chế /4 DQPSK và hoạt động theo kiểu cặp đôi 6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh.

Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tơng tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh/s, còn trong MS số TDMA phải có khả năng sử lý hơn 5x106 lệnh/s 1.3.4 CDMA

Lý thuyết về CDMA đã đợc xây dựng từ những năm 1950 và đợc 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 đợc thơng mại hoá từ phơng pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phơng pháp này cũng đã đợc đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào năm 1990.

Trong thông tin CDMA thì nhiều ngời sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tơng quan chéo thấp đợc ấn định cho mỗi ngời sử dụng Ngời sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên nh ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngợc các tín hiệu đồng bộ thu đ-ợc.

Trong hệ thống điều chế băng hẹp nh điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tổ ong thế hệ đầu tiên thì tính đa đờng tạo nên nhiều fading nghiêm trọng Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đờng đợc giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đờng khác nhau đợc thu nhận một cách độc lập Nhng hiện tợng fading xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đờng không thể loại trừ hoàn toàn đợc vì với các hiện tợng fading đa đ-ờng xảy ra liên tục đó thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập đợc.

Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt đợc nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thờng có ảnh hởng đến băng tần báo hiệu (200 - 300) KHz

Phân tập anten có thể dễ dàng áp dụng đối với hệ thống FDMA và TDMA Phân tập theo thời gian có thể đợc áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu Nhng các phơng pháp khác có thể dễ dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA Dải rộng của phân tập theo đờng truyền có thể đợc cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên những hoạt động tốt hơn trong môi trờng EMI lớn.

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơ bản là tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã đợc scrambling (trộn) Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo mật cuộc gọi đợc định rõ trong EIA/TIA/IS-54-B Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác.

Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BS mới Lợc đồ đó làm tối thiểu hoá sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho ngời sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng mềm Do đó, trong khi hệ thống analog và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch “cắt - trớc khi - nối” thì chuyển vùng mềm của hệ thống CDMA chấp nhận hình thức chuyển mạch “nối -trớc khi - cắt”.

Sau khi cuộc gọi đợc thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu cuả BS bên cạnh để so sánh cờng độ tín hiệu của ô bên cạnh với cờng độ tín hiệu cuả ô đang sử dụng Nếu cờng độ tín hiệu đạt đến một mức nhất định nào đó có nghĩa là máy di động đã di chuyển sang một vùng phục vụ cuả một BS mới và trạng thái chuyển vùng mềm có thể bắt đầu Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cờng độ tín hiệu và số hiệu cuả BS mới Sau đó, MSC thiết lập một đờng nối mới giữa máy di động và BS mới và bắt đầu quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ đờng kết nối ban đầu Trong trờng hợp máy di động đang trong một vùng chuyển đổi giữa hai BS thì cuộc gọi đợc thực hiện bởi cả hai BS sao cho chuyển vùng mềm có thể thực hiện đợc mà không có hiện tợng ping-pong giữa chúng BS ban đầu cắt đờng kết nối cuộc gọi khi việc đấu nối cuộc gọi với BS mới đã thực hiện thành công.

Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA Giao thoa tổng ở tín hiệu máy di động thu đợc từ BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của cùng một BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của BS bên cạnh Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di động giao thoa với tín hiệu của tất cả các máy di động khác Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng một nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định hớng là khoảng 65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả các BS.

Hình 1.5 trình bày giao thoa từ các BS bên cạnh theo % Giao thoa từ mỗi BS trong vòng biên thứ nhất tơng ứng với 6% của giao thoa tổng.

Hình 1.5 Giao thoa từ BS bên cạnh

Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa tổng do vòng thứ 2 và vòng ngoài là nhỏ hơn 4% Trong trờng hợp anten của BS là định hớng (tức là búp sóng anten 1200) thì giao thoa trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lợng máy di động trong BS Do đó, dung lợng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần.

Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số nh TDMA, nhng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại, nên tín hiệu thoại có tốc độ bit trung bình nhỏ hơn.

1.4 Những hạn chế cơ bản của giải pháp thông thờng

Thông thờng mỗi thuê bao của một hệ thống đa truy nhập đợc cung cấp các nguồn nào đó , chẳng hạn nh tần số hoặc khe thời gian , hoặc cả hai và chúng không kết nối với tần số hoặc khe thời gian nào khác Theo cách nh vậy , kênh đa truy nhập tiến hành vô số kênh đơn điểm nối điểm, nếu giả định đã có cách ly hoàn toàn các nguồn truyền dẫn của mỗi thuê bao khỏi các nguồn truyền dẫn của tất cả các thuê bao khác Dung lợng của mỗi kênh bị giới hạn bởi dải thông và thời gian đợc gán cho nó, bởi sự giảm phẩm chất do tạp âm nền mà chủ yếu là do bắt nguồn từ nhiệt và do sự bất bình thờng của truyền dẫn đã tạo ra hiệu ứng che khuất và pha đinh đa đờng Sự mất pha giữa các đờng truyền lan khác nhau có thể gây ra pha đinh nghiêm trọng khi mỗi kênh đợc phân bố một dải thông hẹp Ngời ta có thể tạo ra một hệ thống đa truy nhập chịu đựng đợc can nhiễu tốt hơn nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế số tại máy phát (Bao gồm cả việc mã hoá nguồn tín hiệu và mã hoá sửa sai kênh) và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tơng ứng tại máy thu Tuy nhiên bản thân các phơng pháp số hoá cũng chẳng thể làm thay đổi đợc các hạn chế cơ bản: các kênh không thể đợc giải toả một cách nhanh chóng khi hoạt động của một thuê bao tạm ngừng, việc tái sử dụng tần số bị giới hạn ở các tế bào không liền kề nhau và các kênh băng hẹp nhạy cảm với pha đinh nhiều đờng hơn Các yếu tố này kết hợp lại sẽ làm giảm dung lợng kênh đi một cấp giá trị

1.5 Các nguyên lý trải phổ

Một giải pháp hoàn toàn khác, mà trong một chừng mực nào đó cũng do những nguyên lý của thuyết thông tin Shannon gợi ý ra, không tìm cách phân bố các tiềm năng tần số hoặc thời gian rời rạc cho mỗi thuê bao Ngợc 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 mức tối thiểu đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu /tạp âm nào đó theo mức chất lợng yêu cầu Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng giống nh tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố trong mức cần thiết Theo cách nh vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động đến tất cả các thuê bao khác, nhng ở phạm vi ít nhất có thể có ! Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lợng, nhng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị giới hạn, cho nên cuối cùng dung lợng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống thông th-ờng

Theo đánh giá sơ bộ dung lợng tuyến lên của một hệ thống trải phổ nh vậy đã cho kết quả theo lập luận sau đây: Giả sử mỗi thuê bao sử dụng một sóng mang tạp âm Gauss băng rộng và giả sử dạng sóng này lu trữ tại cả máy phát và máy thu, điều chế và giải điều chế chỉ là các phép tính nhân đơn giản tại băng gốc đợc đồng bộ giữa các vị trí Giả sử tiếp: công suất phát của mỗi thuê bao đều đợc khống chế sao cho tất cả các tín hiệu đều đợc thu tại trạm gốc với cùng một mức công suất nh nhau Nếu công suất tín hiệu thu của mỗi thuê bao là PS(S), và tạp âm nền có thể bỏ qua thì công suất can nhiễu tổng cộng I có ở bộ giải điều chế của mỗi thuê bao là:

I=(kU-1)PS (1.1)

trong đó kU là tổng số thuê bao có mức năng lợng bằng nhau

Bây giờ giả sử rằng bộ giải điều chế số cho mỗi thuê bao có thể hoạt động trên nền tạp âm Gauss tại mức mật độ năng lợng bit/tạp âm là Eb/I0 Tham số này là hệ số phẩm chất của modem số Nó thờng biến đổi trong phạm vi giữa 3 và 9 dB, tuỳ thuộc vào việc thực hiện nó, sử dụng mã sửa sai , những yếu tố làm giảm chất lợng kênh, và đơng nhiên, cả các yêu cầu về tỷ lệ lỗi nữa Mật độ tạp âm do bộ giải điều chế của mỗi thuê bao nhận đợc sẽ là:

I0=I/W (1.2)

Do W(Hz) là toàn bộ dải thông trải phổ của các sóng mang tạp âm băng rộng mà mật độ phổ của chúng đợc giả định là đồng nhất trên toàn dải thông này ; Tơng tự nh vậy , năng lợng thu đợc cho mỗi bit là:

Eb=PS/R (1.3) (R: Tốc độ số liệu bit/s)

Kết hợp các công thức từ (1.1) đến (1.3) cho thấy , với những giả thiết nh trên, số lợng các thuê bao có thể cùng tồn tại trong một tế bào biệt lập có quan hệ đến hệ số giãn phổ và yêu cầu Eb/I0 của bộ giải điều chế theo hệ thức:

Tiếp tục giả thiết rằng có thêm hai đặc trng cần xử lý đợc bổ xung vào hệ thống đa truy nhập trải phổ nhằm hạn chế bớt can nhiễu Trớc hết, là chấm dứt quá trình truyền dẫn hoặc ít nhất cũng phải giảm tốc độ và công suất của nó , khi hoạt động của tiếng nói (hay số liệu) không hiện diện hoặc bị giảm đi Đối với một vùng dân c đồng đều điều này sẽ làm giảm công suất tín hiệu trung bình của

tất cả các thuê bao và do vậy sẽ làm giảm đợc can nhiễu mà mỗi thuê bao thu đ-ợc Theo đó dung lợng sẽ tăng lên tỷ lệ thuận với độ giảm số liệu tổng thể này với điều kiện mật độ thuê bao là đủ lớn sao cho luật mờ của các số lớn đảm bảo can nhiễu gần với giá trị trung bình của nó trong hầu hết thời gian.

Cuối cùng, đối với một hệ thống thông tin di động tế bào mà tất cả các thuê bao trong một tế bào đều đợc phân bố phổ tần W(Hz) chung thì phải đánh giá can nhiễu do tất cả các thuê bao trong mọi tế bào khác đa vào bộ giải điều chế của mỗi thuê bao Ngời ta thấy rằng việc đa các hệ số tăng ích anten và độ lợi âm thoại GA và GV cùng hệ số can nhiễu liên quan đến tế bào khác (f) vào biểu thức

Với những hệ thống điều chế đợc thiết kế tốt , trong đó có sử dụng mã sửa sai cùng với một anten phân tập kép và một máy thu tổ hợp phân tập nhiều đờng (gọi là máy thu RAKE) tại trạm gốc, có thể đạt đợc mức chất lợng cao (các tỷ số lỗi thấp) với Eb/I06dB Đối với thí dụ trên dung lợng đạt đợc cho mỗi tế bào của hệ thống đa truy nhập xấp xỉ bằng:

kUW/R thuê bao.

Điều này chứng tỏ là dung lợng lớn hơn gần một cấp giá trị so với dung l-ợng của các hệ thống phân bố các tiềm năng rời rạc cho từng thuê bao riêng, với các hệ số sử dụng lại tần số là nh nhau Tất nhiên đây mới chỉ là một sự đánh giá khái quát nhằm để nêu bật các tham số cơ bản trong việc xác định các dung lợng thuê bao của hệ thống đa truy nhập trải phổ.

1.6 Các hệ thống thông tin trải phổ

Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản: trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-Direct Sequence), trải phổ nhảy tần (FH-Frequency Hopping) và trải phổ nhẩy thời gian (TH-Time Hopping) Cũng có thể nhận đợc các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên Hệ thống DS/SS đạt đợc trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên Hệ thống FH/SS đạt đợc trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập (lớn) các tần số Mẫu nhảy tần số có dạng giả ngẫu nhiên ở hệ thống TH/SS, một khối các bit số liệu đợc nén và đợc phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào đợc sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.

Hiện nay phần lớn các quan tâm về hệ thống SS là các ứng dụng đa thâm nhập mà ở đó nhiều ngời sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn ở hệ thống DS/SS nhiều ngời sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời ở các hệ thống FH/SS và TH/SS, mỗi ngời sử dụng đợc ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, từ đó các máy phát sẽ tránh đợc xung đột.

Nh vậy FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột , trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình.

Chơng 2 Hàm tự tơng quan và chuỗi giả tạp âm

Để hiểu đợc cách trải phổ một tín hiệu, ta nghiên cứu hàm tự tơng quan , mật độ phổ công suất của các tín hiệu và các chuỗi giả tạp âm Chơng này sẽ khái quát một cách ngắn gọn các định nghĩa về hàm tự tơng quan và mật độ phổ công suất cho các tín hiệu ngẫu nhiên và xác định, khảo sát các chuỗi giả tạp âm cần thiết trong quá trình trải phổ.

2.1 Các hàm tự tơng quan và mật độ phổ công suấtCác tín hiệu xác định

Để tiện xét các tín hiệu ta sẽ coi rằng tín hiệu s(t) đợc đo bằng các đơn vị tín hiệu (dòng điện hoặc điện áp) ở điện trở 1, công suất đợc đo bằng W (Watt) còn năng lợng đợc đo bằng J (Joule).

Tín hiệu năng lợng : Một tín hiệu xác định s(t) đợc coi là một tín hiệu năng lợng

nếu năng lợng của nó hữu hạn , nghĩa là :

E[  ] =   s(t) 2 dt <  (2.1)

Tín hiệu công suất : Tín hiệu s(t) đợc gọi là tín hiệu công suất nếu năng lợng của

nó là vô hạn nhng công suất trung bình lại là hữu hạn, nghĩa là :

Đối với tín hiệu tuần hoàn sP(t), việc lấy trung bình trên một chu kỳ T1 cũng giống nh lấy trung bình trên toàn bộ thời gian, nên:

Lu ý rằng mọi tín hiệu tuần hoàn đều là tín hiệu công suất.Ta hãy khảo sát một tín hiệu công suất s(t) Hàm tự tơng quan chuẩn hoá của nó đợc định nghĩa

Về ý nghĩa, hàm tự tơng quan đánh gía mức độ giống nhau giữa tín hiệu và phiên bản bị dịch đi của nó: Hàm dịch  Nếu s(t) là một hàm phức thì tích phân s(t+).s(t) ở phơng trình (2.4) đợc thay thế bằng s(t+).s*(t), trong đó s*(t) biểu thị phức liên hợp của s(t) Mục đích của ta là khảo sát các tín hiệu thực vì thế định nghĩa ở phơng trình (2.4) là đủ Nếu s(t) là một hàm tuần hoàn vơis chu kỳ T1 thì có thể thực hiện lấy trung bình ở phơng trình (2.4) trên một chu kỳ ta đợc : tuần hoàn có chu kỳ T1.

Mật độ phổ công suất (PSD-Power Spectral Density) của s(t) ký hiệu là (f), đợc

PSD cho ta biết công suất trung bình của tín hiệu đợc phân bố ở vùng tần số nh thế nào Công suất trung bình ở một băng tần đợc xác định bởi diện tích của PSD ở băng tần này Chẳng hạn công suất trung bình trong băng tần từ tần số

 ,…, nghĩa là công suất trung bình chỉ suất hiện ở các thành phần một chiều, thành phần cơ bản và các hài.

Công suất trung bình của một tín hiệu bằng giá trị trung bình hàn tự tơng quan

S , trong đó S(f) là biến đổi Fourier của s(t) Mật độ phổ năng lợng cho ta biết năng lợng của một tín hiệu đợc phân bố ở vùng tần số nh thế nào.

2.2 Các dãy giả ngẫu nhiên (Chuỗi PN)

Một dãy ngẫu nhiên nhị phân độc lập, mà trong tài liệu về lý thuyết xác suất ngòi ta gọi là dãy Bernoulli Tuy nhiên, ngay cả dãy ngẫu nhiên đơn giản nhất này cũng đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy phát và máy thu Bây giờ, chúng ta sẽ chứng minh rằng, những thuộc tính của sự “ngẫu nhiên” trong một dãy Bernoulli có thể đợc bắt chớc một cách giống hệt nhờ một chuỗi tuần hoàn quyết định dài, có thể đợc tạo ra nhờ một phép tuyến tính đơn giản đợc quy định do một số lợng vừa phải các số nhị phân Do đó, biến số ngẫu nhiên duy nhất là thời điểm khởi đầu chuỗi.

Trớc khi nghiên cứu quá trình tạo ra các dãy giả ngẫu nhiên nh vậy, điều quan trọng là phải mô tả các thuộc tính cơ bản của sự “ngẫu nhiên” mà các dãy quyết định cuối cùng phải đạt đợc.

Loại quan trọng nhất của các chuỗi ngẫu nhiên là các chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 độ dài cực đại hay các chuỗi m Các chuỗi cơ số hai m đợc tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc loại trừ (xor) Một