Khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

Khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA

LỜI NÓI ĐẦU

Lý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động của việc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm Điều này có thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cần thiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm.

Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thông tin di động tế bào Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệ thống FDMA và TDMA Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ thống thông tin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềm dẻo về dung lượng, nó cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong môi trường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong môi trường nhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa

Ngoài ra, nó còn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và khả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” đảm bảo không xảy ra gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao.

Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nước trên thế giới cũng như trong khu vực Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ và hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thử nghiệm Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA.

Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trình bày những khái quát chung nhất về thông tin trải phổ là các khái niệm và đặc tính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp

Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thông tin di động CDMA trong đó đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin di động CDMA, TDMA và FDMA Đồng thời đi khảo sát một số vấn đề trong CDMA là giải điều chế, vấn đề dung lượng của hệ thống, các hiệu ứng pha đinh và dịch tần Doppler và thu phân tập trên máy thu RAKE

Chương III đi xem xét dung lượng của hệ thống CDMA đa tế bào, được tính toán trên cơ sở bảo đảm được điều khiển công suất để chống lại hiệu ứng xa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từ đó đưa ra lưu đồ thuật toán tính toán dung lượng của hệ thống

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quyết và các thầy cô giáo trong Khoa Vô Tuyến Điện Tử đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành nội dung của đồ án Do trình độ và thời gian có hạn nên trong quá trình thực hiện còn có nhiều sai sót Kính mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo và bạn bè xa gần có quan tâm đến lĩnh vực thông tin trải phổ và kĩ thuật CDMA.

Hà nội 9- 06- 2003

Mô hình tổng quan nhất về các hệ thống trải phổ được thể hiện như hình vẽ

Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổ

Từ mô hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơ cấp tạo thành tín hiệu băng hẹp sn sau đó phổ của nó được trải ra trên một băng tần rộng nhờ phép toán ξ(.), tín hiệu này được kí hiệu là sw và được phát qua kênh truyền dẫn Những kênh này có thể gây ra các suy giảm chất lượng do nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền Tại phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đó nén phổ bằng phép toán ξ-1(.)=ξ(.) Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng sw được biến đổi trở lại thành tín hiệu băng hẹp sn Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số

ban đầu Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi D/A.

1.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ

1.2.1 Khả năng chống nhiễu

Ở các hệ thống thông tin thông thường truyền tín hiệu băng hẹp khi nhiễu băng hẹp cùng tần số với tín hiệu và có cường độ lớn thì có thể gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng truyền tin thậm chí phía thu không thể khôi phục lại được tín hiệu

Đối với hệ thống thông tin trải phổ ngay cả trong trường hợp có nhiễu mạnh tác động vẫn có thể thu tín hiệu một cách tin cậy Nói một cách khác, hệ thống thông tin trải phổ có thể loại trừ được nhiễu băng hẹp Giả thiết rằng, ở phía thu tín hiệu thu được gồm sw và nhiễu mạnh in(t), quá trình nén phổ được thực hiện :

ξ-1(sw +in(t)) =ξ-1(ξ(sn)) + ξ-1 (in(t)) = sn +iw

Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vào thành tổng của tín hiệu băng hẹp có ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng Sau khi qua bộ lọc băng hẹp có dải thông là Bn bằng độ rộng phổ tín hiệu sn thì chỉ có một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là iwr do băng tần Bw của nhiễu iw lớn hơn Bn rất nhiều

ηi

Ta thấy rằng, công suất nhiễu đi qua bộ lọc P(iwr) = ηi.Bn so với công suất toàn bộ nhiễu là :

cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nó được gọi là hệ số khuyếch đại xử lí.

Trong trường hợp công suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trước khi thực hiện giải trải phổ tín hiệu Có thể sử dụng một số thuật toán thích hợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà không gây ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu.

Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu có ích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận được khi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu

Hình 1.3 Phổ của tín hiệu và nhiễu sau khi qua lọc băng hẹp

1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia

Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền thẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường truyền do các công trình nhân tạo hoặc địa hình tự nhiên Nói chung các thành phần tín hiệu này sẽ tương tác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống Giả sử rằng chỉ có một tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình có phương trình :

r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2π fc(t - τ) + θ’] (1.2)

với τ’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm Do đó, nhiễu do thành phần không đi thẳng là

s0’= 21

cos (θ’)T∫kAbt− ct− ctdt

//) ( ) ( )

=± cos( ) ( )2

// φ τ

(1.3)s0’= 0 khi τ/ >Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không đi thẳng

Ta có thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng và các bản sao bị trễ của nó đều là tín hiệu băng rộng Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đó tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ còn tín hiệu trễ thì bị trải phổ Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu không truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu Như vậy tín hiệu không truyền thẳng chỉ làm giảm SNR một ít

1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã

Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thống thông tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sử dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân PCN, các mạng vùng nội hạt vô tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thông tin di động tế bào.

Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách có

hiệu quả trong đó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Ở các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được 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.

Giả sử rằng, có n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi này tín hiệu mà mỗi máy thu thu được có thể biểu diễn:

Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện :

(1.6) Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ j và tín hiệu phổ rộng swij khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôi phục cùng với thành phần nhiễu mức thấp srij

Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quan chéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tín hiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm

1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA

Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sử dụng cực đại nên hiệu suất của toàn hệ thống thấp Ngược lại, với hệ thống CDMA dung lượng của nó chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụng

cực đại không được giới hạn rõ ràng Khi số người sử dụng tăng lên thì xác

-1(swj) =-1((snj )) = snj với i ≡ j swij với i ≠ j

suất lỗi bít càng tăng, tức có thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hoàn thành.

Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, bỏ qua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bị nén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là :

yb (1.7)Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là ρthì :

K =1+ ≈ (1.9)

với yb là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống Như vậy, dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu.

1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ

Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ của tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi Một hệ thống được coi là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thoả mãn hai yêu cầu sau:

• Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu Bi cần thiết để truyền thông tin

• Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với số liệu

Với các tín hiệu có độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồn tại là T thì phân lượng phổ của nó là 2WT Để tăng phân lượng phổ của nó có thể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thời gian T

Khi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trước khi phát đi, có nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản có hai phương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần (FH/SS).

• Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng.

• Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.

Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa là một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khung chứa số lượng lớn các khe thời gian Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung Do vậy, có thể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổ nhảy thời gian (TH/SS).

Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trải phổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nên thường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự

1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS

Tín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng Tín hiệu ngẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi là chuỗi giả tạp âm PN.

Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t) được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi Tại máy thu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tín

hiệu mong muốn Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp được cho trên hình 1.4.

Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thu tăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệu nhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống Như vậy, trải phổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ

Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giả ngẫu nhiên PN Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng :

c(t)=∑+∞ckΠTc(t−kTc)

− (1.10)Trong đó ΠT(t) là xung chữ nhật đơn vị, ck gọi là chíp và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chíp Để đơn giản ta mô hình hoá tín hiệu PN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tự tương quan tuần hoàn của nó với chu kì đầu là:

Bộ tạo mã trải phổ c(t)Dữ liệu

Bộ lọc Dữ liệuBộ tạo mã

trải phổ c(t)

Tín hiệu không mong muốnTín hiệu trải phổ

Hình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp

Ta đi xét phương thức trải phổ trực tiếp cho một số dạng tín hiệu điều chế khác nhau

1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK)

Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhị phân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khối máy phát DS/SS sử dụng BPSK mô tả ở hình 1.5

Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau : b(t)=∑+∞bkΠT(t−kT )

(1.12)

Tín hiệu PN cơ số hai c(t)

Bản tin cơ số hai b(t)

Bộ điều chế(BPSK)

Sóng mangA cos(2fct +)

Tín hiệu DS/SS_BPSKs(t)= A.b(t).c(t).cos(2fct + )

b(t)-1 1

1

0 Tc NTc 2NTc b(t).c(t)

0 Tc NTc 2NTc

tMột chu kì

(giả thiết T=N.Tc)

A

Tc NTc 2NTc

t(giả thiết sóng mang có và fc=1/Tc)

Hình 1.5 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS_BPSK

trong đó b = k ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu Tín hiệu

b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này

với nhau Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, tín hiệu DS/SS_BPSK nhận được là :

w(t) = A.b(t - τ).c2(t - τ) cos(2π fct + θ’ )

= A b(t - τ) cos(2πfct + θ’ ) (1.15)

Bộ tạo tín hiệu PN nội

Bộ giải điều chế(BPSK)s(t)=A.b(t-τ).c(t-τ).

vì c(t)= ±1, θ’ = θ - 2π fc τ Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ

rộng băng tần là 2/T, sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ giải điều chế BPSK để lấy ra tín hiệu băng gốc.

1.3.1.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuông góc (QPSK)

Ngoài việc sử dụng BPSK cho quá trình điều chế người ta còn dùng các kiểu điều chế khác như dùng khoá chuyển pha vuông góc QPSK, khoá chuyển cực tiểu MSK

Với hệ thống DS/SS khi sử dụng kiểu điều chế QPSK với cùng một đầu vào số liệu hoặc hai đầu vào độc lập điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK có dạng :

s(t)= s1(t) + s2(t) = -A.b(t),c1(t).sin(2πfct + θ) + A.b(t)c2(t).cos(2π fct + θ) = 2.Acos(2π fct + θ + γ(t)) (1.16)

với )

nhận các giá trị 4

, 43π

, 45π

, 47π

tuỳ thuộc vào tích c1(t).b(t) và c2(t).b(t) bằng ±1 Do đó tín hiệu s(t) cũng có 4 trạng thái pha khác nhau: θ+

π , θ+

43π , θ+

45π , θ+

47π

Khi thực hiện giải trải phổ các thành phần đồng pha và vuông pha được giải trải phổ độc lập với nhau bởi c1(t) và c2(t) trong đó tín hiệu PN c1(t) và c2(t) có thể là hai tín hiệu độc lập hoặc được lấy từ cùng một tín hiệu PN.

* Ưu điểm của các hệ thống DS/SS_QPSK so với DS/SS_BPSK thể hiện là độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR :

• Cùng một tín hiệu phát đi hệ thống DS/SS_QPSK chỉ sử dụng một nửa băng tần so với DS/SS_BPSK với cùng PG và SNR, SNR0.

• Cùng một tín hiệu phát đi với cùng độ rộng băng tần và PG thì DS/SS_QPSK ưu việt hơn DS/SS_BPSK về SNR dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn.

Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giao của các sóng mang sin(2π +fct θ) và cos(2π +fct θ) ở các nhánh đồng pha và vuông góc.

Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và đòi hỏi đồng bộ cao ở phần thu nếu không sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượng của hệ thống

Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dung lượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nó được mã hoá bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năng chống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN có hai thành phần:

• Mã dài cl(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên

• Mã ngắn cs(t) dùng tăng khả năng đồng bộ.

1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS

* Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN)

Ta đi xem xét hiệu năng của hệ thống DS/SS trong môi trường tạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.

Một cách tổng quát ta coi tín hiệu thu được bao gồm các thành phần :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] +n(t)+j(t) (1.17) Để đánh giá được tỉ số công suất trên công suất tạp âm (SNR0) ta giả thiết rằng trễ truyền lan τ bằng không, không có nhiễu phá j(t) và nhiễu giao thoa, tạp âm là tạp âm Gause (AWGN) có PSD bằng N0/2, tạp âm của kênh là n0, s0 là tín hiệu mong muốn.

s0 cho mỗi bít số liệu là : s0=±

(1.18)

Do giả thiết tạp âm là tạp âm Gause nên n0 là một biến ngẫu nhiên có trung bình không và phương sai là :

E[n02]=4

(1.19)SNR0 được tính là :

SNR0= [ ]2020

=(AT/2)2/ (N0T/4) =A2T/N0 (1.20)Ta thấy rằng SNR0 độc lập với tốc độ chíp, như vậy trải phổ không có ưu điểm về AWGN trong kênh

còn tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính :SNR=Eb/N0 =

02 /2

=(1/2)SNR0 (1.21)* Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia

Khi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia ta coi tín hiệu thu bao gồm thành phần tín hiệu mong muốn và thành phần nhiễu giao thoa từ các DS khác :

r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] + +n(t) (1.22)Ta giả thiết b(t), b’ (t), c’ (t) là ±1 và b(t) độc lập với b’(t) Tín hiệu nhận được giải trải phổ bằng cách nhân với c(t) cos(2π fct ) và lấy tích phân, ta có :

s0 = s0’ + n0 (1.23) s0’= A’ ∫T

b’(t - τ’).c’(t - τ’).cos(2πfct + θ ’) cos(2πfct).dt

=2

A cos(θ ’)

τ

Hai thành phần trong ngoặc vuông ± ∫ −

)(.1 τ

τ là hàm tương quan chéo từng phần được chuẩn hoá của

c(t) và c’(t) Tương quan chéo nhỏ gây nhiễu giao thoa cũng nhỏ, do đó trong môi trường đa người sử dụng đòi hỏi phải tạo được tập hợp các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ nhất.

Trong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền thẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường Giả sử rằng chỉ có một tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình ở phương trình (1.22) với τ’ là trễ truyền lan, A’=kA với k là hệ số suy giảm Do đó, nhiễu do thành phần không đi thẳng là

s0’=

cos (θ ’)T∫kAbt− ct− ctdt

//) ( ) ( )

= ± cos( ) ( )2

// φ τ

(1.25)s0’=0 khi τ/ >Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không đi thẳng.

* Hiệu ứng gần- xa (Near-Far)

Ngoài ra đối với hệ thống có nhiều người sử dụng còn xảy ra hiệu ứng gần xa Ta xét hệ thống đa truy nhập DS/SS, giả thiết có M người sử dụng phát tín hiệu trên cùng một kênh Ở phía thu, tín hiệu thu được bị nhiễu do tạp âm và của M-1 người sử dụng khác Giả sử Pk là công suất trung bình của từng tín hiệu, PSD của từng người sử dụng là (PkTc/2)[sinc2((f-fc)Tc)+sinc2((f+fc)Tc)] nên PSD kết hợp được xấp xỉ hoá bằng (M-1)Pk.Tc /2

SNR tương đương là :SNR= /

0 +PTM −

(1.26)Trường hợp có một trong M-1 người rất gần máy thu thì tín hiệu của người gây nhiễu sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới máy thu, giả sử Pk/ =aPk trong đó a tăng bình phương khi người gây nhiễu tiến đến gần máy thu

SNR tương đương là :

=

0 +aPT +PTM −

k (1.27)Khi a lớn, SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn, khi đó để duy trì xác suất lỗi ở mức cho phép bằng cách giảm M-2 người sử dụng.

1.3.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS

Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS) được xây dựng trên ý tưởng là chuyển đổi tần số sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bởi chuỗi giả tạp âm PN Chuỗi PN có nhiệm vụ xác định mẫu nhảy tần Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu Trường hợp tốc độ nhảy tần nhanh hơn tốc độ số liệu gọi là nhảy tần nhanh và ngược lại.

Với trình độ khoa học công nghệ ngày nay độ rộng băng tần của tín hiệu trải phổ nhảy tần có thể đạt tới vài GHz Tuy nhiên, do việc thay đổi nhanh tần số sóng mang nên máy thu khó theo kịp sự thay đổi pha của sóng mang, vì vậy điều chế FSK thường được sử dụng với phương pháp giải điều chế không nhất quán trong các hệ thống FH/SS.

Ta kí hiệu Th là thời gian của một đoạn nhảy và T là thời gian của một bit số liệu Sơ đồ khối cho máy phát và máy thu của các hệ thống FH/SS được mô tả trên hình 1.7

Từ sơ đồ khối máy phát, ta thấy tín hiệu FSK cơ số hai sn(t) được tạo ra từ luồng số liệu Trong khoảng thời gian mỗi bít sn(t) có một trong hai tần số f hoặc (f + ∆f) tương ứng với bít 0 hay bít 1 của dữ liệu vào b(t), nó có dạng :

sn(t) = cos 2π[ f0 +b(t)∆f ]t (1.28)Quá trình trải phổ tín hiệu sn(t) được trộn với tín hiệu sr(t) từ bộ tổ hợp tần số, cứ Th giây tần số của sr(t) lại thay đổi theo các giá trị j bít nhận được từ bộ tạo chuỗi PN Do đó ở đầu ra bộ tổng hợp tần số có thể có tới 2j các tần số khác nhau, tín hiệu trên đó tính trong đoạn nhảy λ có thể được viết là:

sr(t) = Acos[2π(fg +iλ∆f)t + θ] (1.29) với λTh < t < (λ +1)Th ;iλ∈ {0, 2, …2(2j -1) ; fg là tần số không đổiTín hiệu trên đầu ra bộ lọc BPF trong bước nhảy λ được tính :

sw(t) = Acos[2π(fg +iλ∆f +mλ.∆f)t + θλ] (1.30)với λTh < t < (λ +1)Th

Trong đó mλ∈{0, 1} là giá trị của số liệu ở λTh < t < (λ +1)Th và f0 = f’ + fg Tần số có thể được phát đi là {f0, f0 +∆f , … , f0 +(J-1)∆f } với J=2j+1 và pha θλ có thể thay đổi từ bước nhảy này đến bước nhảy khác.

Do tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong một đoạn nhảy tần, trong toàn bộ khoảng thời gian tín hiệu phát ở cả J tần số nên độ rộng băng tần nó chiếm là:

BFH/SS = J ∆f (Hz) (1.31)

Dữ liệu NRZb(t)

Bộ tạo chuỗi PN

Bộ tổng hợp tần số

w(t)Hình 1.7 Sơ đồ khối máy phát FH/SS

Trường hợp thời gian bit T >Th hệ thống là nhảy tần nhanh còn khi T < Th hệ thống là nhảy tần chậm, ta tính được độ lợi xử lí bằng :

(1.32)

=

=

2 (1.33)với giả thiết độ rộng băng tần số liệu bằng 1/T và phân cách tần số là 1/Th.

Ở phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ lọc băng thông BPF băng rộng sau đó thực hiện nén phổ Giả thiết rằng, chuỗi PN tạo ra ở phía thu đồng bộ với bên phát Tín hiệu đưa ra đầu ra của bộ tổng hợp tần số trên đoạn nhảy λ

là :

sr’ (t) = cos[2π(fg +iλ∆f)t + θ’] (1.34) với λTh < t < (λ +1)Th

Tín hiệu ở đầu vào bộ lọc khi bỏ qua tạp âm là :sw(t).sr’(t) =

{cos[2π(fg+ f0+2iλ∆f +mλ.∆f)t+θλ+θ’

λ]+ +cos[2π(fg- f0 +mλ.∆f)t + θλ-θ’

λ]} (1.35) Độ rộng băng tín hiệu

2(Độ rộng băng bản tin)

PG =

BPF băng rộng

BPF băng rộng (f, f+∆f)

Bộ giải điều chế FSK không

nhất quán

Bộ tổng hợp tần số

Bộ tạo chuỗi PN tại chỗ

J bit

sw(t) +n(t)sr(t)

sn(t) b(t)

Hình 1.8 Sơ đồ khối máy thu FH/SS

Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế FSK chỉ có thành phần tần số thấp có dạng:

Nếu chuỗi PN phí thu không đồng bộ với bên phát thì sau khi nén phổ tín hiệu nhận được là băng rộng.

Khi xét đến môi trường đa truy nhập có k người sử dụng với iλk số khác nhau để tạo ra các chuỗi PN thì tín hiệu thu tại máy thu thứ j là :

2 + ∆ = + ⇔ = j+

f (1.38)Nên :

(1.39)

sẽ lớn hơn 1 với giá trị j thực tế.

Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS 1/T 2j

Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS j/Th j

1.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép

1.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian

Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, số liệu được phát thành các cụm Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xác định bởi một chuỗi PN Giả sử thang thời gian được chia thành các khung Tc giây, mỗi khung lại được chia tiếp thành j khe thời gian vì vây mỗi khe thời gian có độ rộng là Ts = Tc/j giây.

Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN Mỗi bit chỉ chiếm T0 = Ts/k giây Tín hiệu TH/SS có thể được biểu diễn :

sTH(t) = ∑ ∑∞

= +

Tốc độ bit khi phát cụm là 1/T0, để truyền băng gốc độ rộng băng tần là 1/T0 (Hz) còn để truyền băng thông độ rộng băng tần là 2/T0.

Thứ hai, các hệ thống DS/SS có chất lượng tốt hơn (SNR hơn khoảng 3dB) so với FH/SS nhờ giải điều chế nhất quán nhưng đòi hỏi cao ở mạch khoá pha sóng mang.

Thứ ba, với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS có thể nhảy trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS Ngoài ra có

thể tạo tín hiệu TH/SS có độ rộng băng tần gấp nhiều lần so với DS/SS khi cùng tốc độ đồng hồ Các hệ thống DS/SS nhạy cảm với vấn đề gần xa còn FH/SS nhạy cảm với việc bảo mật thông tin.

Thứ tư là thời gian bắt mã PN ở FH/SS ngắn nhất còn với DS/SS và TH/SS đòi hỏi dài hơn Ngoài ra, các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiều tia và nhiễu trong khi DS/SS lại chịu tác động khá nhiều.

1.3.3.3 Các hệ thống lai ghép

Ngoài các kĩ thuật trải phổ ta đã nghiên cứu trên người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kĩ thuật DS, FH, TH Các hệ thống này là sự kết hợp những ưu điểm của từng kĩ thuật trải phổ Tuy nhiên việc thực hiện các hệ thống này khá phức tạp và ứng dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin quân sự

* Nhảy tần/chuỗi trực tiếp FH/DS Tín hiệu có dạng:

SFH/DS(t)=A.c(t).sFH(t) (1.41)Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu gây nghẽn và pha đinh nhiều tia đồng thời cho phép trải phổ trên băng tần không liên tục và ít nhạy cảm với hiện tượng gần-xa.

* Hệ thống nhảy tần-thời gian lai ghép

Tín hiệu có dạng như sau:

STFH(t)=A.sTH(t)sTH(t) (1.42) Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng theo thời gian cũng như tần số, giải quyết tốt vấn đề gần xa.

* Hệ thống nhảy thời gian/chuỗi trực tiếp

Tín hiệu có dạng :

STH/DS(t)=A.sTH(t)c(t)cos(2πfct+ θ) (1.43)

Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng theo thời gian và giảm ảnh hưởng của nhiễu gần.

* Hệ thống nhảy thời gian-tần số/chuỗi trực tiếp TFH/DS

Tín hiệu có dạng :

STHF/DS(t)=A.sTH(t).sFH(t) (1.44)Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa kênh lớn nhất nhưng rất phức tạp và tốn kém.

Kết luận:

Chương I đã nghiên khái quát về lý thuyết trải phổ và đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ từ đó đưa ra mô hình tổng quát nhất của hệ thống thông tin trải phổ và đánh giá khả năng của các hệ thống đó Đồng thời trình bày về các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), hệ thống trải phổ nhảy tần và các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép.

Trong chương này ta nghiên cứu sâu hơn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp khi xem xét đến các hệ thống trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS_BPSK) và trải phổ trực tiếp tín hiệu khoá chuyển pha vuông góc (DS/SS _QPSK), so sánh để thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống này Sau cùng là đánh giá hiệu năng của hệ thống (DS/SS) trong môi trường tạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia.

Phần cuối là so sánh các hệ thống trải phổ để thấy được ưu điểm và nhược điểm của mỗi hệ thống làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng nó trong các hệ thống thông tin di động tế bào mà ta xét ở các chương sau.

- Đa truy nhập theo tần số (FDMA)

- Đa truy nhập theo thời gian (TDMA)

- Đa truy nhập theo mã (CDMA)

Ở các sơ đồ ứng dụng kĩ thuật FDMA, toàn bộ dải tần của hệ thống được chia nhỏ thành 2N băng tần con, mỗi băng tần con được gán cho một người sử dụng và nó bị chiếm dụng trong suốt quá trình cuộc gọi Trong sơ đồ TDMA mỗi người sử dụng được cấp cho một khe thời gian trong suốt quá trình gọi Ở cả hai hệ thống này số lượng người dùng được quyết định bởi số lượng các tần số hoặc các khe thời gian có sẵn Với sơ đồ CDMA tất cả những người sử dụng cùng phát trên một kênh vô tuyến Tín hiệu phát đi chiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các mã được sử dụng để phân biệt các người dùng với nhau.

Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tương đương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao Còn trong các hệ thống thông tin di động tế bào và thông tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so với các kĩ thuật khác

Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thống nhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều

chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tế bào thế hệ đầu tiên thì fading nhiều tia có thể gây tổn hao rất lớn SNR Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập Phân tập theo tần số, thời gian và theo đường truyền làm giảm đáng kể fading trong CDMA Trong đó phân tập theo đường truyền được áp dụng hiệu qủa đối với CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơn trong môi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn.

Thứ hai là nhờ có điều chỉnh công suất mà hệ thống thông tin di động tế bào CDMA trong môi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xa và giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với các trạm gốc khác (tế bào lân cận) Việc công suất phát thấp tức giảm tỉ số Eb/N0 không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn giảm thiểu được tạp âm và nhiễu giao thoa đồng thời giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động Hơn nữa việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng khả năng phục vụ dẫn đến làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với hệ thống TDMA và FDMA có công suất tương tự Ngoài ra ưu điểm của việc điều khiển công suất trong CDMA là việc giảm công suất phát trung bình, trong hệ thống FDMA hay các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục fading theo thời gian, còn ở CDMA công phát tăng chỉ khi có fading và công suất yêu cầu chỉ phát khi có điều khiển công suất.

Thứ ba là hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao nên việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tế bào số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã được trộn bởi chuỗi giả ngẫu nhiên nên máy thu không chủ định rất khó thu được nếu không biết được mã.

Thứ tư là nhờ có chuyển giao mềm chỉ có ở hệ thống thông tin di động tế bào CDMA mà việc xảy ra rớt cuộc gọi là không có Chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” và chỉ làm việc ở vùng sử dụng chung tần số tức trạm BS mới và BS cũ có cùng tần số nên trạm không cần thay đổi tần số khi nó chuyển đến cell khác Quá trình chuyển giao mềm xảy ra từ từ kết hợp cùng với sự trao đổi thông tin chuyển đổi liên tục giữa trạm di động và BS khi có tín hiệu cho phép mới chuyển đổi thực sự Trong khi hệ thống di động tế bào FDMA và TDMA chấp nhận chuyển giao cứng theo nguyên tắc “cắt trước khi nối” nên có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ bị cắt.

Thứ năm là CDMA đặc biệt vượt trội hơn so với FDMA và TDMA và các hệ thống khác trong môi trường đa tế bào nhờ khả năng tái sử dụng tần số, một người sử dụng tích cực có thể sử dụng toàn bộ băng tần và người này có thể tự do truyền trong mọi thời điểm Nhờ có điều khiển công suất mà hạn chế được mức giao thoa, việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn so với hệ thống FDMA và TDMA Do các hệ thống điều chế băng hẹp này yêu cầu tỉ số sóng mang/nhiễu vào khoảng 18dB nên việc tái sử dụng tần số còn hạn chế khi đó một kênh sử dụng cho một BS sẽ không được sử dụng cho một BS khác Hơn thế nữa, trong các hệ thống FDMA, TDMA các băng tần hay các khe thời gian được phân cách nhau bởi các băng bảo vệ hay thời gian bảo vệ, các khoảng cách này làm lãng phí số phần trăm nào đó của tổng độ rộng băng tần (hay thời gian) vì thế dung lượng nhỏ hơn N Ngoài ra, khi một người sử dụng tích cực đã được dành một băng tần hay một khe thời gian người này sẽ chiếm dụng hoàn toàn môi trường truyền dẫn trong suốt thời gian diễn ra cuộc thoại Do đó hiệu quả sử dụng băng tần hay khe thời gian kém, dung lượng kênh sẽ không vượt qua quá N(N: số băng tần hay số khe thời gian) Hệ số tái sử dụng của FDMA kém hơn so với CDMA bởi thừa số tái sử dụng tần số F, nó được tính là:

KFDMA=

(máy di động/cell)

Việc sử dụng lại tần số ở tế bào khác phải đảm bảo đủ xa để tín hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu lên nhau Trong khi đó, đối với CDMA các trạm di động sử dụng cùng băng tần và không có sử dụng lại tần số nên có thể coi hệ số tái sử dụng trong hệ thống tế bào CDMA bằng 1 Tỉ số KCDMA

với KFDMA bằng

Hơn thế nữa, trong thông tin thoại ta có thể tăng dung lượng của hệ thống CDMA nhờ đặc tính tích cực của thoại, mức MUI hiệu dụng giảm nhờ thừa số tích cực tiếng (≈3/8) vì người ta thường dừng khi nói chuyện Bằng cách giám sát tính tích cực tiếng nói sẽ loại bỏ sóng mang ở thời gian không có tiếng nói và các nhiễu giao thoa xuyên đường giảm Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng hệ thống lên 8/3 lần Đối với FDMA và TDMA khó áp dụng được yếu tố tích cực thoại bởi vì các hệ thống này không có tranh chấp nên quá trình làm im lặng không tăng dung lượng và thời gian định vị lại kênh

tiếp theo là quá dài Nhờ có bộ mã hoá tiếng có tốc độ thay đổi sử dụng trong hệ thống CDMA nên một số kiểu dịch vụ chất lượng thoại chịu các yêu cầu khác nhau có thể được cung cấp Bộ mã hoá tiếng nói được MSC điều khiển theo tốc độ khác nhau để chúng có thể sử dụng chung Một số kiểu dịch vụ thoại (số liệu, fax, video, ISDN…) hoạt động với tốc độ bộ mã hoá tiếng nói khác nhau Các yêu cầu của kênh dịch vụ này có thể đáp ứng đầy đủ Khi sử dụng bộ mã hoá hoạt động với tốc độ thấp 4kps, tăng dung lượng gấp 1,7 lần( dung lượng hệ thống không gấp đôi bởi vì truyền dẫn tốc độ thấp yêu cầu để trống trong thoại).

Do các tính năng vượt trội trên cùng với các thiết bị nhỏ gọn hệ thống CDMA ngày càng được sử dụng rộng dãi trong hệ thống di động tế bào Hệ thống CDMA IS-95 phát triển mở rộng tiêu chuẩn hóa W-CDMA với độ rộng băng tần lớn làm cho dung lượng cao hơn, sử dụng nhiều dịch vụ với tốc độ cao như truyền hình ảnh, fax,… Ngoài ra nó còn hoạt động không cần cấp giấy phép ở 3 lĩnh vực công nghiệp, khoa học và y tế với công suất 1W chồng lấn băng tần mà không gây nhiễu.

Bên cạnh đó hệ thống CDMA có một số nhược điểm chính đó là nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng và hiệu ứng xa gần Nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng phát sinh do các dãy mã không trực giao Nguyên nhân là trong hệ thống thông tin di động ngoài tín hiệu thu mong muốn còn có các thành phần tín hiệu của những người sử dụng khác Các tín hiệu này được phát độc lập với nhau (tần số sóng mang giống nhau nhưng pha của sóng mang khác nhau) và ảnh hưởng của trễ truyền lan nên đến trạm gốc là không cùng lúc Do trễ thời gian của chúng phân bố ngẫu nhiên nên tự tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng khác nhau là khác không Tương quan chéo nhỏ gây ít nhiễu, vì vậy trong môi trường đa người sử dụng để giảm nhiễu giao thoa người ta phải thiết kế các tín hiệu PN sao cho chúng có tương quan chéo nhỏ

Hạn chế cơ bản đối với hệ thống CDMA là hiệu ứng xa gần Hiện tượng này xuất hiện khi tín hiệu thu được tại trạm gốc khá yếu từ một máy di động ở xa bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh của nguồn nhiễu gần đó Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần so với tín hiệu mong muốn sẽ có tác động tương đương với n tín hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu Khi nguồn gây nhiễu tiến đến gần máy thu tác động của nguồn nhiễu tăng rất mạnh làm cho SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn làm giảm dung lượng của hệ thống Để khắc phục hiện tượng này trong các hệ thống CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất ở cả đường lên và đường xuống nhằm giảm thiểu tác động của nhiễu đến dung lượng của hệ thống

Ở hệ thống CDMA tế bào vấn đề điều khiển công suất đòi hỏi rất khắt khe để bảo đảm mức công suất mà trạm gốc thu được từ các trạm di động gần giống nhau Đối với CDMA đường xuống có thể sử dụng điều chế nhất quán như QPSK hay MSK, còn CDMA đường lên thường sử dụng điều chế không nhất quán như DPSK, FSK cho hiệu quả tốt hơn

Trong chương này ta xem xét hiệu năng của hệ thống CDMA Mô hình hệ thống di động tế bào được cho như hình vẽ sau.

Trạm gốc

Máy di động

Hình 2.1 Hệ thống thông tin di động tế bào

2.2 Nguyên lý CDMA

Trong trải phổ chuỗi trực tiếp, phổ của tín hiệu số băng gốc được mở rộng nhờ một mã giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ Tín hiệu trải phổ có mật độ phổ công suất thấp (đo bằng W/Hz) Đối với một máy thu thông thường nó thể hiện gần giống như tạp âm nền và thường ít gây nhiễu Khi các tín hịu trải phổ sử dụng cùng một băng tần sẽ có một lượng xuyên âm nhất định hay giao thoa tương hỗ, tuy nhiên không như ở truyền dẫn băng hẹp nhiễu không gây nguy hiểm Điều này có thể thực hiện được là vì có thể thiết kế các mã trải phổ tốt với các giá trị tương quan chéo thấp để chúng hầu như trực giao Nhờ vậy, nhiều tín hiệu trải phổ có thể sử dụng chung kênh tần số mà không gây nhiễu tương hỗ nghiêm trọng Tuy nhiên hiệu năng của hệ thống sẽ giảm đáng kể khi tăng số người sử dụng.

Chương này sẽ tập trung vào trải phổ chuỗi trực tiếp và nghiên cứu một ứng dụng đặc biệt đó là thông tin đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) mà chủ yếu là DS/CDMA

2.2.1 Giải điều chế trong hệ thống CDMA

Ta đi xét hệ thống DS/CDMA một cách chi tiết, sơ đồ khối điển hình được mô tả ở hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống DS/CDMA

Từ sơ đồ khối, giả thiết rằng có K người sử dụng độc lập dùng chung một tần số sóng mang và có thể phát đồng thời tới máy thu Mỗi tín hiệu phát được gán một chỉ số k, k =1, 2, …,K Dạng sóng số liệu cơ số hai bk(t) là hàm chữ nhật có biên độ ±1và có thể đổi dấu sau T giây, nó được biểu diễn bởi:

bk(t) = ∑∞

b ( ) (2.1) Dạng sóng trải phổ ck(t) cũng có dạng hàm chữ nhật nhưng nó tuần hoàn và có tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bit số liệu, nó được biểu diễn bởi:

ck(t)= ∑∞

c ( ) (2.2) Ta giả thiết rằng, thời gian một bit số liệu (T giây) chứa đúng một chu

kì (N chíp) mã trải phổ sao cho tốc độ chíp bằng

Công suất trung bình của s(t) bằng P và coi rằng các tín hiệu thu được có công suất là như nhau (điều này đúng khi có điều khiển công suất), thông số

θ là pha của sóng mang Nếu mô hình hoá kênh thu bởi tạp âm n(t) là tạp âm trắng cộng Gaussian (AWGN) có phương sai là σn2, trên kênh chỉ có nhiễu đa truy nhập gây ra bởi những người sử dụng khác và bản chất kênh là cộng thì tất cả các tín hiệu phát đều trễ và tạp âm cộng với nhau ở máy thu.

Tại đầu vào của máy thu thứ nhất tín hiệu thu được là tổng các tín hiệu của K người sử dụng đã phát đi và tạp âm trên kênh truyền :

r(t) = ( ) ( ) 2 cos(2 ) ( )

π (2.4)trong đó ak là hệ số suy giảm của tín hiệu thứ k khi truyền trên kênh.

Tín hiệu này được nén phổ bằng cách nhân với mã trải phổ c1(t) được tạo ra ở máy thu thứ nhất (giả thiết mã trải phổ tạo ra ở máy thu đồng bộ với mã trải phổ bên phát), loại bỏ sóng mang bằng phương pháp nhất quán (nhân với

cos( π +fct θ1' ) Sau đó lấy tích phân trong khoảng thời gian T giây để khôi phục lại năng lượng kí hiệu số liệu và đồng thời loại bỏ tạp âm ngoài băng Người ta đưa ra mô hình máy thu tương quan nhất quán ở hình 2.3.

Máy thu tương quan thực hiện tương quan tích cực, ta có thể thực hiện nó ở dạng một bộ lọc thích ứng là phần tử thụ động, tuy vậy thực hiện được điều này rất khó nếu độ dài của chuỗi trải phổ khá lớn Đầu ra của bộ tương quan được lấy mẫu sau đó đưa đến mạch ngưỡng để nhận lại các bit số liệu

Ta xét đến xác suất lỗi bit là một hàm của E0/N0 , giả thiết ta mô hình (K-1) tín hiệu nhiễu băng rộng như là AWGN, nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng MUI sẽ tạo nên tạp âm bổ sung có PDF hai biên bằng :

0 + = + − (2.6)

>< 0r (t)

c1(t) cos(2 ')

Hình 2.3 Máy thu tương quan nhất quán

Mặt khác, đối với BPSK, B=2/Tc nên ta có :Pb,BPSK =Q

21 −

∫ π (2.8)Từ phương trình (2.7) ta thấy rằng xác suất lỗi bit tăng khi số người sử dụng đồng thời K tăng và giảm cùng với thừa số trải phổ N, đồng thời khi biết trước E0/N0 và thừa số trải phổ N ta có thể ước lượng được số người sử dụng cho phép trong hệ thống.

Ở phần trên ta mô hình hoá nhiễu giao thoa như tạp âm trắng, trong thực tế PDS của nó không phẳng Phần sau ta nghiên cứu và đưa ra biểu thức chính xác hơn cho p.b.e

2.2.2 Xác suất lỗi bit, p.b.e

Một cách tổng quát, ta có thể viết biến quyết định Z ở đầu ra của bộ tương quan tại thời điểm t = T là tổng của các thành phần tín hiệu, tạp âm và nhiễu giao thoa :

Z= P/2T +η +I (2.9)Thành phần tạp âm η là một biến Gaussian độc lập, thành phần MUI với I là tổng của K-1 thành phần độc lập có dạng :

(2.10)Để đơn giản cho tính toán ta coi K là lớn và MUI có phân bố ngẫu nhiên

Gaussian độc lập Do đó, trung bình của ∑

bằng không và mỗi Ik có

trung bình bằng không Phương sai của I bằng tổng phương sai của Ik và được xác định:

Var(Ik)= E(I ) –[E(Ik2 k)]2 (2.11)Xác suất trung bình lỗi bit có thể được tính là:

Q (2.13)

trong đó:

r là một thông số của nhiễu giao thoa

Công thức (2.12) chỉ phụ thuộc vào việc chọn K chuỗi, với PN dài ta có thể mô hình hoá chúng như các chuỗi ngẫu nhiên trong đó mỗi chip của chuỗi là một biên ngẫu nhiên rời rạc độc lập nhận các giá trị “-1” hay “+1” với xác suất như nhau Khi đó Pb chỉ còn phụ thuộc vào tỉ số Eb/N0, K và N Công thức (2.13) đạt khá chính xác khi K lớn còn với K nhỏ ta chưa xác định được Do đó ta sẽ đưa ra công thức tính Pb chính xác hơn.

QV (2.14)

Để tìm kì vọng ở (2.14) ta sử dụng khai triển Taylor với cách đặt:g(V) = ([] 1/2)

0 /4)(

/ TNT +V −P

Q (2.15)Khai triển và rút gọn, ta đưa ra công thức tính xác suất lỗi bit như sau: Pb ≈E( Vg( ))

2 − (2.17)

(2.18)

Xác suất lỗi bit được xác định là:

P (2.20)

2.2.3 Dung lượng cực đại của CDMA một tế bào

Dung lượng của các hệ thống CDMA bị hạn chế bởi nhiễu đa truy nhập do đó ta cần xem xét đến khả năng dung lượng lớn nhất của hệ thống có thể đạt được phục vụ trong quá trình thiết kế hệ thống.

Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, thì tập âm tại đầu vào của máy thu bất kì là :

I =( −1) (2.21)Tỉ số năng lượng tín hiệu trên tạp âm là:

Một phương pháp khác để tăng dung lượng là giám sát độ tích cực của tiếng nói Khi áp dụng cả 3 biện pháp trên thì giới hạn dung lượng của hệ thống (số người sử dụng trong một khu vực ) là:

NK

Q(x)= ( 2) exp( /2)/( 2 )2

nên K 3

≈ , hay nói cách khác số người sử dụng đồng thời không thể lớn hơn một phần ba hệ số trải phổ khi tỉ số lỗi bit cực đại là 10-3.

2.3 CDMA ở các kênh fading nhiều tia

Truyền dẫn vô tuyến qua các kênh thông tin thực tế chịu ảnh hưởng rất lớn của fading nhiều tia Khi một tín hiệu hình sin được truyền qua một kênh fading nhiều tia, các bản sao của của tín hiệu gốc thu được do sự tán xạ cũng như phản xạ trong môi trường Biên độ cũng như thời gian trễ của các tín hiệu này có thể thay đổi Do đó, để đánh giá nó một cách chính xác ta xét đặc trưng của kênh có fading nhiều tia

2.3.1 Đặc trưng của kênh fading nhiều tia

Khi truyền một xung tín hiệu có độ rộng rất nhỏ qua một kênh đa đường thay đổi theo thời gian thì tín hiệu nhận được có thể là một dãy xung được mô tả như ở hình 2.4 Như vậy, một đặc trưng của kênh đa đường là sự trải rộng theo thời gian đối với tín hiệu truyền qua kênh.

Một đặc trưng thứ hai là do sự thay đổi theo thời gian trong cấu trúc đường truyền Sự thay đổi theo thời gian làm tính chất của các đường truyền cũng thay đổi theo thời gian Như vậy nếu lặp lại việc truyền xung thêm nhiều lần thì các xung nhận được sẽ có sự thay đổi Sự thay đổi này gồm có thay đổi về độ lớn của xung, độ trễ giữa các xung và có thể còn là số xung nhận được trong một lần truyền.

Hình 2.4 Đáp ứng của kênh thay đổi theo thời gian với xung có độ rộng rất hẹp

Tổng quát, ta xét tín hiệu truyền có dạng sau:s(t)= [ jfct]

ltes ( ) 2 .

Re π (2.29)Giả thiết rằng, tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau tới phía thu và ứng với mỗi đường truyền có một khoảng thời gian trễ và độ suy hao thay đổi theo thời gian Tín hiệu thu có thể được có dạng:

r ( ) α ( ) ( τ ( )) (2.30)Thay s(t) trong (2.29) vào (2.30) ta nhận được:

(2.32)Do rl(t) là đáp ứng của kênh tần số thấp tương đương đối với tín hiệu vào tần số thấp tương đương sl(t) nên ta có thể mô tả kênh tần số thấp tương đương bằng đáp ứng xung thay đổi theo thời gian như sau:

∑ −

c(τ; ) α ( ) 2π τ ( )δ(τ τ ( )) (2.33)Đối với nhiều kênh thì tín hiệu nhận được bao gồm vô số các đường có độ suy hao biến đổi liên tục và tín hiệu nhận được có thể biến đổi thành dạng:

−= α τ tst τ dτ

x( ) ( ; ) ( ) (2.34)Do đó trong α(τ;t) là độ suy hao của thành phần tín hiệu có độ trễ τ tại thời điểm t Thay s(t) trong (2.29) vào (2.34) dẫn tới:

−= ∞∫

x( ) α(τ; ) 2π τ ( τ) τ 2π (2.35)

Từ công thức này dẫn tới :

c( ; )= ( ; ) − 2 (2.36)ở đây c(τ;t) thể hiện đáp ứng của kênh ở thời điểm t đối với xung đầu vào ở thời điểm (t-τ).

Xét việc truyền một sóng mang không điều chế qua kênh (đây là một phép thử) ở tần số fc Như vậy sl(t) = 1 với mọi t và do đó tín hiệu nhận được đối với kênh đa đường rời rạc là:

r ( ) α ( ) 2π τ ( ) α ( ) θ ( ) (2.37)trong đó :

θn(t) =2πfcτn(t) (2.38) Như vậy tín hiệu nhận được là tổng các véc tơ có biên độ αn(t) Chú ý rằng cần phải có một sự thay đổi lớn đối với đường truyền mới đủ để αn(t) thay đổi đáng kể trong tín hiệu nhận được.

Mặt khác, θn(t) thay đổi 2π khi τn thay đổi 1/fc Do 1/fc nhỏ nên θn(t) sẽ thay đổi 2π rad khi có một sự thay đổi nhỏ trong đường truyền Do τn(t) cũng thay đổi một cách ngẫu nhiên nên tín hiệu nhận được rl(t) trong (2.37) có thể

mô hình hoá bằng một quá trình ngẫu nhiên Khi có rất nhiều đường truyền khác nhau thì ta có thể sử dụng định lý giới hạn trung tâm Như vậy ta có thể mô hình hoá rl(t) bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussianian giá trị phức và điều đó có nghĩa là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian c(τ;t) cũng là một quá trình ngẫu nhiên giá trị phức theo biến thời gian t

Tín hiệu nhận được rl(t) do quá trình truyền theo nhiều đường truyền khác nhau từ phía phát tới phía thu gọi là tín hiệu fading Hiện tượng fading chủ yếu là do sự thay đổi theo thời gian trong tập hợp pha {θn(t)} Do hiện tượng fading nên các thành phần tín hiệu nhận được có thể làm suy yếu nhau hay tăng cường nhau gây ra sự thay đổi về biên độ của tín hiệu nhận được, hay tính fading của tín hiệu nhận được là do sự thay đổi về các thông số của các đường truyền.

2.3.2 Fading nhiều tia

Trong các hệ thống thông tin trải phổ, các tín hiệu nhiều tia có thời gian trễ tương đối nhỏ hơn thời gian của một chip (Tc giây) thì không thể phân giải được Giả sử có rất nhiều các tín hiệu nhiều tia đến điểm thu trong khoảng Tc giây Các tín hiệu này sẽ cộng với nhau ở điểm thu và sự đóng góp chung của chúng ở đầu ra của máy thu có thể mô hình kiểu Gaussian theo định lý giới hạn trung tâm Do sự khác nhau về pha, một số tín hiệu có thể được cộng và một số có thể bị trừ Kết quả cho ta một hình bao tín hiệu ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian và hiện tượng này được gọi là fadinh tín hiệu Có thể mô hình hoá fadinh cho các tín hiệu nhiều tia không phân giải thu được trong khoảng thời gian Tc như sau:

)(2cos(2