2.2.1. Khỏi niệm CDMA
CDMA là hệ thống đa truy nhập theo mó dựa trờn kỹ thuật điều chế trải phổ, cỏc thuờ bao sử dụng chung tần số và thời gian và được phõn biệt nhau bằng một mó duy nhất gọi là mó trải phổ (hay dóy tạp õm giả ngẫu nhiờn PN). Lý thuyết về CDMA đó được xõy dựng từ những năm 1950 và được ỏp dụng trong thụng tin quõn sự từ những năm 1960. Cựng với sự phỏt triển của cụng nghệ bỏn dẫn và lý thuyết thụng tin trong những năm1980, CDMA đó được thương mại húa từ phương phỏp thu GPS và Ommi-Mỹ vào năm 1990.
Kờnh vụ tuyến được dựng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kờnh này cũng được phõn biệt với nhau nhờ mó trải phổ giả ngẫu nhiờn. Một kờnh CDMA rộng 1,23MHz với hai dải biờn phũng vệ 0,27MHz, tổng cộng 1,77MHz. CDMA dựng mó trải phổ cú tốc độ cắt (chip rate) 1,2288MHz. Dũng dữ liệu gốc được mó hoỏ và điều chế ở tốc độ cắt. Tốc độ này chớnh là tốc độ mó đầu ra của mỏy phỏt PN.
Để nộn phổ trở lại dữ liệu gốc thỡ mỏy thu phải dựng mó trải phổ PN chớnh xỏc như khi tớn hiệu được xử lý ở mỏy phỏt. Nếu mó PN ở mỏy thu khỏc hoặc khụng đồng bộ với mó PN tương ứng ở mỏy phỏt thỡ tin tức khụng thể thu nhận được.
Trong CDMA sự trải phổ tớn hiệu đó phõn bố năng lượng tớn hiệu vào một dải tần rất rộng hơn phổ của tớn hiệu gốc, ở phớa thu, phổ của tớn hiệu lại được nộn trở lại về phổ của tớn hiệu gốc.
Hỡnh 2.9. Sơ đồ phỏt/thu CDMA
2.2.2. Cỏc đặc tớnh của CDMA a. Tớnh đa dạng của phõn tập
Trong hệ thống thụng tin vụ tuyến băng hẹp, tớnh đa đường tạo nờn fading nghiờm trọng. Với hệ thống CDMA, fading đa đường giảm đỏng kể do ở phớa thu cỏc tớn hiệu qua cỏc đường khỏc nhau được thu nhận một cỏch độc lập. Tuy nhiờn, hiện tượng này khụng thể loại trừ hoàn toàn do fading xảy ra một cỏch liờn tục nờn bộ giải điều chế khụng thể xử lý tớn hiệu thu một cỏch độc lập được.
Để giải quyết vấn đề này mà khụng phải tăng cụng suất, khoảng cỏch tỏi sử dụng kờnh, một hỡnh thức được sử dụng tốt nhất là phõn tập. Cú 3 loại phõn tập là:
Phõn tập thời gian
Đạt được nhờ sử dụng việc chốn và mó sửa sai. Việc chốn dữ liệu làm nõng cao chất lượng của việc sửa lỗi bằng cỏch trải cỏc lỗi trờn trục thời gian. Cỏc lỗi trờn thực tế thường xuất hiện khi gặp chướng ngại vật, do đú khi số liệu được tỏch, cỏc lỗi trải ra trờn một khoảng thời gian lớn hơn. Trong CDMA sử dụng phương phỏp mó hoỏ xoắn trong bộ phỏt và giả mó Viterbi.
Phõn tập tần số
Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phõn tập theo tần số nhờ việc mở rộng cụng suất tớn hiệu trong một băng tần rộng. Mặt khỏc nhiễu trong thời điểm nhất định
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 26 Mó húa và chốn Nguồn PN Nguồn PN Mó húa và chốn Súng mang Súng mang BPF BPF 1.25M 1.25M Nguồn PN 1.288Mbps 1.288Mbps 9.6 Kbps
chỉ sảy ra tại một đoạn băng tần hẹp cụ thể nào đú. Do vậy cỏc sự giảm tớn hiệu vụ tuyến chỉ ảnh hưởng tới một phần độ rộng băng tớn hiệu CDMA, phần lớn thụng tin là nhận được. Kết quả là với một phần nhỏ thụng tin bị sai lệch thỡ tại đầu thu ta dễ dàng khụi phục lại thụng tin ban đầu.
Phõn tập khụng gian
Phõn tập theo khụng gian hay theo đường truyền cú thể đạt được theo 3 phương phỏp sau:
- Thiết lập nhiều đường bỏo hiệu (chuyển vựng mềm) để kết nối mỏy di động đồng thời với hai hoặc nhiều BTS
- Sử dụng mụi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quột thu nhận và tổ hợp cỏc tớn hiệu phỏt với cỏc tớn hiệu phỏt khỏc trễ thời gian.
- Đặt nhiều anten tại BS. Mỗi trạm thu phỏt sử dụng 2 anten thu để loại bỏ fađing tốt hơn.
b. Điều khiển cụng suất
Trong thiết kế hệ thống thụng tin di động cú một vấn đề đặt ra là hiện tượng hiệu ứng gần xa trong thụng tin di động CDMA. Giả sử trong hệ thống cú hai đối tượng sử dụng cựng liờn lạc với trạm gốc, một đối tượng ở gần cũn một đối tượng ở xa trạm gốc nhiều hơn. Khi mức cụng suất tớn hiệu của đối tượng ở gần cú thể lớn hơn mức độ tớn hiệu của mỏy di động ở xa hàng chục dB. Kết quả là trạm gốc cú khả năng thu tốt tớn hiệu của mỏy thu ở gần. Do mức tớn hiệu của mỏy thu ở gần là rất lớn, cả hai mỏy thu cựng sử dụng chung băng tần ở chế độ khụng đồng bộ nờn mức nhiễu nền của mỏy thu thứ nhất gõy ảnh hưởng rất lớn đến chất lưọng mỏy thu thứ hai và dẫn đến tỷ lệ lỗi bit của mỏy thu thứ hai rất cao.
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển cụng suất 2 chiều (từ BS đến MS và ngược lại) để cung cấp một hệ thống cú dung lượng lưu lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và cỏc lợi ớch khỏc. Mục đớch của điều khiển cụng suất phỏt của mỏy di động là điều khiển cụng suất phỏt của mỏy di động sao cho tớn hiệu phỏt của tất cả cỏc mỏy di động trong một vựng phục vụ ở mức thấp nhất cần thiết, vừa đủ để đảm bảo yờu cầu tối thiểu mà khụng gõy ra nhiễu quỏ mức lờn cỏc tớnhiệu khỏc. Như vậy sẽ đảm bảo tỷ lệ tớn hiệu/nhiễu giao thoa cực tiểu cần thiết tại cỏc trạm gốc.
Đối với tuyến lờn điều khiển cụng suất cú hai chức năng:
- Cõn bằng cụng suất mà BS nhận từ mỗi MS, nhờ đú khắc phục hiệu ứng gần xa, hiệu ứng che khuất tăng dung lượng hệ thống.
- Tối thiểu hoỏ mức cụng suất phỏt đi bởi mỗi MS sao cho vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tin cậy. Nhờ đú giảm nhiễu đồng kờnh, tăng dung lượng trỏnh nguy hại cho sức khoẻ, kộo dài tuổi thọ nguồn cụng suất MS
Đối với tuyến xuống điều khiển cụng suất :
- Đảm bảo phủ súng với chất lượng tốt cho những vựng tồi nhất trong vựng phục vụ.
- Tạo khả năng dàn trải lưu lượng giữa cỏc ụ cú lưu lượng tải khụng bằng nhau trong vựng phục vụ bằng việc điều khiển nhiễu xuyờn ụ đối với cỏc ụ cú tải nặng.
- Tối thiểu hoỏ mức cụng suất cần thiết mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt. Nhờ đú giảm nhiễu ụ lõn cận, tăng dung lượng hệ thống, tỏc hại tới sức khoẻ.
Điều khiển cụng suất phỏt của MS trong hệ thống CDMA cú ba phương phỏp: - Điều khiển cụng suất mạch vũng hở chỉ cú trạm di động tham gia. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Điều khiển cụng suất mạch vũng kớn cú cả trạm di động và trạm gốc tham gia.
- Điều khiển cụng suất đường xuống trong đú cú sự tham gia của trạm di động và trạm gốc.
c. Cụng suất phỏt thấp
Trong hệ thống CDMA, khi giảm tham số Eb/No (tương ứng tỷ số tớn hiệu/nhiễu) tới mức chấp nhận được sẽ làm tăng dung lượng hệ thống đồng thời làm giảm cụng suất phỏt yờu cầu để khắc phục tạp õm và giao thoa, nghĩa là giảm cụng suất phỏt yờu cầu đối với mỏy di động. Điều này sẽ dẫn đến giảm giỏ thành MS và cho phộp nú hoạt động vựng rộng hơn với cụng suõt thấp khi so với hệ thống tương tự hoặc TDMA cú cựng cụng suất.
Ưu điểm của hệ thống CDMA là làm giảm cụng suất phỏt trung bỡnh: trong hệ thống băng hẹp thụng thường, cụng suất phỏt cao luụn được yờu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian; với hệ thống CDMA thỡ cụng suất trung bỡnh cú thể giảm
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 28
vỡ cụng suất yờu cầu chỉ phỏt đi khi cú điều khiển cụng suất và cụng suất phỏt sẽ tăng khi cú fading.
d. Bộ mó hoỏ-giải mó thoại tốc độ số liệu biến đổi
CDMA tận dụng thời gian lặng trong cuộc đàm thoại để nõng cao dung lượng của hệ thống. Bộ mó hoỏ-giải mó thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với tốc độ biến đổi 8Kbps. Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thụng tin thoại cú sử dụng thuật toỏn mó hoỏ-giải mó thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS và mỏy di động.
Hai bộ mó hoỏ-giải mó thoại thụng tin với nhau ở 4 nấc truyền dẫn: 9600bps, 4800bps, 2400bps, 1200bps. Cỏc tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu (thuật toỏn dựng cho CDMA là QCELP). Bộ mó hoỏ-giải mó thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thớch để chọn tốc độ số liệu. Khi thuờ bao đang đàm thoại tốc độ dữ liệu là 9600 bit/s. Khi thuờ bao tạm ngừng hoặc đang nghe thỡ tốc độ dữ liệu giảm xuống cũn 1200 bit/s. Tốc độ dữ liệu 2400 và 4800 cũng được sử dụng nhưng khụng thường xuyờn bằng hai tốc độ trờn.Tốc độ dữ liệu dựa trờn hoạt động điện đàm cứ 200 ms việc quyết định tốc độ lại thực hiện lại. Cỏc cuộc đàm thoại thụng thường cú hệ số xấp xỉ 40%.
Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp õm và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành truyền dẫn thoại chất lượng cao trong trường tạp õm.
e. Bảo mật cuộc gọi
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao và về cơ bản là tạo ra xuyờn õm, mỗi mỏy được cung cấp mó riờng, việc sử dụng mỏy thu tỡm kiếm và sử dụng bất hợp phỏp kờnh RF là khú trong hệ thống CDMA vỡ tớn hiệu CDMA đó được trộn với mó ngẫu nhiờn. Về cơ bản thỡ cụng nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và cỏc khả năng bảo vệ khỏc tiờu chuẩn đề xuất gồm khả năng xỏc nhận và bảo mật cuộc gọi được định rừ trong EIA/TIA IS-54B. Cú thể mó hoỏ kờnh thoại dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc cụng nghệ mó tiờu chuẩn khỏc. Trong cụng nghệ CDMA sử dụng 3 loại mó để điều chế, định kờnh, mó húa là mó Walsh, mó PN, mó
Turbo tạo thành 3 loại chỡa khúa hữu hiệu để chống truy nhập trỏi phộp. Do đú nú được ứng dụng trong thụng tin quõn sự.
f. Chuyển vựng mềm và mềm hơn
Khi một thuờ bao đi ngang qua biờn giới giữa hai trạm gốc sẽ sảy ra quỏ trỡnh chuyển vựng-quỏ trỡnh MS chuyển sang một kờnh lưu lượng mới nhằm đảm bảo tuyến vụ tuyến cú chất lượng tốt.
Chuyển vựng cứng: trong cỏc hệ thống analog và GSM do sử dụng cỏc tần số khỏc nhau tại cỏc cell liền kề cho nờn khi MS vượt qua vựng biờn một cell và đi vào vựng phủ súng của một cell khỏc, thỡ cần được chuyển mạch tới một kờnh khỏc trong trạm phủ súng mới. quỏ trỡnh chuyển vựng thực hiện thụng qua cỏc mệnh lệnh cho MS điều chỉnh tới tần số mới. Quỏ trỡnh chuyển tới tần số mới làm cho kờnh lưu lượng giỏn đoạn trong thời gian ngắn, do đú gõy lỗi dữ liệu hoặc mất đồng bộ dữ liệu.
Chuyển vựng mềm: khi một thuờ bao CDMA đi ngang qua biờn giới giữa hai trạm gốc sẽ sảy ra quỏ trỡnh chuyển vựng mềm. Chuyển vựng mềm là sự nối cuộc
gọi được hoàn thành trước khi từ bỏ kờnh cũ. Quỏ trỡnh chuyển giao này cú thể
thực hiện được bởi vỡ cỏc cell kề nhau cựng sử dụng chung một tần số.
Đối với hệ thống CDMA, cỏc đặc tớnh của thụng tin trải phổ cho phộp MS nhận thụng tin từ hai hoặc nhiều hơn cỏc BS đồng thời. Nhờ khả năng này mà MS cú thể chuyển vựng từ BS này sang BS khỏc, từ sector này sang sector khỏc mà khụng gõy ra sự xỏo trộn nào lớn về cỏc thụng tin thoại và dữ liệu.
Trong hệ thống CDMA cú chuyển vựng mềm và mềm hơn
• Chuyển vựng mềm: xuất hiện khi một BS mới bắt đầu thụng tin với MS trong khi MS vẫn tiếp tục thụng tin với BS cũ. MS sẽ thụng tin với 2 BS tức là liờn lạc giữa MS và BS xảy ra đồng thời ở hai kờnh của giao diện vụ tuyến từ hai BS khỏc nhau.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 30
Hỡnh 2.10.Chuyển vựng mềm
-Chuyển vựng mềm hơn: trong chuyển vựng này MS ở vựng chồng lấn giữa hai vựng phủ súng của hai sector của BS. Liờn lạc của MS và BS xảy ra đồng thời trờn hai kờnh của giao diện vụ tuyến của hai sector khỏc nhau. Vỡ thế cần sử dụng hai mó đường xuống khỏc nhau để MS cú thể phõn biệt được hai tớn hiệu.
g. Tỏch tớn hiệu thoại
Trong thụng tin hai chiều song cụng tổng quỏt, tỷ số chiếm dụng tải của tớn hiệu thoại khụng lớn hơn 35% do đú quỏ trỡnh đàm thoại người núi và người nghe cú khoảng dừng. Hệ thống CDMA cú hệ thống chuyển mạch tắt làm việc nờn giao thoa ở người sử dụng khỏc giảm đi đỏng kể. Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bỡnh của mỏy di động giảm đi là 1/2 vỡ dung lượng được xỏc định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khỏc.
h. Giỏ trị Eb/No thấp và chống lỗi
Tiờu chuẩn để so sỏnh hiệu suất của phương điều chế và mó hoỏ số là xỏc định tỷ số Eb/No, tỷ số của năng lượng trờn mỗi bit đối với mật độ phổ cụng suất tạp õm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với cỏc hệ thống băng hẹp độ rộng kờnh bị giới hạn, chỉ cỏc mó sửa sai cú hiệu suất và độ dư thấp là được phộp sử dụng sao cho giỏ trị Eb/No cao hơn giỏ trị mà CDMA yờu cầu.
Với hệ thống CDMA cung cấp một hiệu suất và độ dư thừa mó sửa sai cao do độ rộng kờnh băng tần cao. Mó sửa sai được sử dụng trong CDMA cựng với giải điều chế số liệu hiệu suất cao cú thể tăng dung lượng và giảm cụng suất yờu cầu với MS nhờ giảm Eb/No.
i. Tỏi sử dụng tần số và vựng phủ súng RNC
Cựng một tớn hiệu được phỏt từ cả hai BS đến MS trừ lệnh điều khiển cụng suất
BS1
BS2
Bộ điều khiển trạm gốc
Tất cả cỏc BS đều tỏi sử dụng kờnh băng rộng trong CDMA. Giao thoa tổng ở tớn hiệu MS thu được từ MS là tổng giao thoa tạo ra trong cỏc mỏy MS khỏc ở cựng BS và giao thoa tạo ra trong cỏc mỏy MS của BS bờn cạnh. Tớn hiệu của mỗi mỏy di động giao thoa với tất cả tớn hiệu của MS khỏc.Giao thoa tổng từ tất cả cỏc mỏy di dộng bờn cạnh bằng 1/2 của giao thoa tổng từ cỏc mỏy MS khỏc trong cựng BS.
Hiệu quả tỏi sử dụng tần số của cỏc BS khụng định hướng là tỷ số nhiễu trờn giao thoa của cỏc mỏy di động trong cựng một trạm gốc, (khoảng 65%), đú là giao thoa tổng từ cỏc mỏy di động khỏc trong cựng một BS với giao thoa từ tất cả cỏc BS.
Hỡnh 2.11 Giao thoa từ BS bờn cạnh
Giao thoa từ mỗi BS trong vũng biờn thứ nhất tương ứng với 6% của giao thoa tổng. Do đú, giao thoa từ vũng biờn thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa tổng do vũng thứ 2 và vũng ngoài là nhỏ hơn 4%. Trong trường hợp anten của BTS là định hướng (tức là bỳp súng anten 120 o) thỡ giao thoa trung bỡnh giảm xuống 1/3 vỡ mỗi anten kiểm soỏt nhỏ hơn 1/3 số lượng mỏy di động trong BS. Do đú, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lờn xấp xỉ 3 lần. (Thật ra chỉ là 2,55 lần do sự chồng chập cỏc anten lõn cận).
j. Dung lượng
Việc tỏi sử dụng lại tần số trong hệ thống tổ ong cho phộp cú một mức độ giao thoa nhất định để mở rộng dung lượng cú điều kiện. CDMA điều khiển giao thoa hiệu quả hơn hệ thống FDMA, TDMA.
Hiệu quả tỏi sử dụng tần số trong hệ thống CDMA được xỏc định bởi tỷ số tớn hiệu/nhiễu tạo ra khụng chỉ từ một BS mà từ tất cả người sử dụng trong vựng phục vụ. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 32 2% K2 K1 6% K2 K2 K2 K2 K2 K3 0,03%