2.1.1 Dung lợng của một cell đơn
Dung lợng và chất lợng của hệ thống có liên quan chặt chẽ với nhau và bị giới hạn bởi công suất nhiễu hiện có ở băng tần. Dung lợng là tổng số ngời sử dụng đồng thời mà hệ thống có thể cho phép, và chất lợng là điều kiện thu của một đờng truyền vô tuyến đợc phân định cho ngời sử dụng nào đó. Chất lợng đợc thể hiện qua xác suất lỗi bít, hay tỉ lệ lỗi bít (BER). Dung lợng của một cell CDMA phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh giải điều chế phía máy thu, độ chính xác của điều khiển công suất và công suất nhiễu thực sự do những ngời dùng trong cùng cell hoặc các cell lân cận.
Trong thông tin số, ta thờng quan tâm chủ yếu đến tỉ số Eb/No là năng lợng bít/ mật độ công suất tạp âm. Xác suất lỗi bít là hàm của Eb/No có liên quan đến tỉ số S/N (SNR) thông qua việc xác định năng lợng bít so với công suất tín hiệu đợc điều chế trung bình trong một chu kì bít:
Eb= ST
Với S là công suất tín hiệu điều chế trung bình và T là thời gian của một bít. Với tốc độ bít là R ta có thể thay T=1/R sẽ đợc:
Eb = S/R
Eb/No = S/(RN0)
Ta thay thế công suất tạp âm N0 = WN với w là độ rộng băng thì sẽ có:
R W NS N Eb0 =
Chúng ta giả thiết hệ thống có điều khiển công suất hoàn hảo nghĩa là các công suất mà các MS phát ra đợc điều khiển để có cùng giá trị thu đợc ở BS, ta sẽ có tỉ số SNR của 1 user có thể đợc viết lại là:
1 1
−
= M
NS
Hình 2. Tổng công suất nhiễu bằng tổng công suất của các user. Ta sẽ có: R W M N Eb 11. 0 = − Ta suy ra: 0 1 N b E R W M− = Với M lớn thì 0 N b E R W M ≈
2.1.2 Hiệu ứng của tải
Phần trớc ta nghiên cứu mô hình có M user trong một cell CDMA. Cell đơn này có anten phát xạ đẳng hớng và không có các cell lân cận và các MS phát 100% thời gian. Trong thực tế có nhiều cell ở trong hệ thống CDMA nh hình 2.2 cell A đang xét:
Hình 2. Nhiễu gây ra do các MS ở các cell lân cận
Mặc dù các user đang ở các cell khác đợc điều khiển công suất do các cell khác quản lý nhng công suất này vẫn bị nhiễu đến cell A. Vì thế cell A chịu tải bởi các cell lân cận. Nh vậy cần phải bổ xung vào công thức tính dung lợng là:
( )+η − = 11 1 1 . . 0 M WR N Eb
Với η là hệ số tải có giá trị từ 0% đến 100%. Ví dụ ở hình 2.3 cho thấy hệ số tải η=0,5 do đó sự gia tăng về nhiễu là 150% so với trờng hợp không có các user ở các cell lân cận.
Hình 2. Hệ số tải thu đợc ở cell A Giá trị nghịch đảo của (1+ η) đợc gọi là hệ số sử dụng lại tần số F:
η
+ =11
F
Hệ số sử dụng lại tần số có giá trị lý tởng là 1 khi chỉ có một cell đơn (η =0). Trong tr- ờng hợp đa cell, khi hệ số tải tăng lên thì hệ số sử dụng lại tần số sẽ giảm tơng ứng. Hệ số tải đợc định nghĩa là tỉ số giữa tổng nhiễu của kênh lu lợng đờng lên ở các MS trong các cell lân cận gây ra so với tổng nhiễu do các kênh lu lợng đờng lên từ các MS trong cell đang xét:
η=I’t/I’m
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa
Nhiễu từ các MS khác trong các cell khác nhau có thể bị giảm đi nếu cell đợc chia nhỏ (sector). Thay vì sử dụng một anten vô hớng có bức xạ anten 3600 thì cell A có thể đợc sector thành 3 sector có bức xạ anten 1200(hình 2.4)
Hình 2. Một cell đợc sector hóa
Một anten đợc sector hóa sẽ chống lại đợc nhiễu do các MS không nằm trong búp sóng anten. Việc thực hiện này sẽ làm giảm hiệu ứng tải bằng một hệ số xấp xỉ 3. Nếu một cell đợc chia 6 sector thì hiệu ứng tải sẽ giảm đi 6 lần. Hệ số này đợc gọi là độ lợi sector hóa λ.
Đối với mỗi cell giá trị λ đợc tính toán chính xác bằng tổng công suất nhiễu từ tất cả các hớng cho công suất nhiễu thu đợc từ anten sector:
Với G(θ) là đồ thị bức xạ anten của anten sector theo chiều ngang, G(0) là độ lợi đỉnh, xảy ra ở phía cạnh (θ=0), I(θ) là công suất nhiễu thu đợc từ các MS của các cell khác là hàm của θ.
Công thức trên tính toán chính xác độ lợi sector hóa phụ thuộc chủ yếu vào độ lợi anten đợc dùng cũng nh sự phân bố về không gian và khoảng cách nhiễu của các MS ở các cell lân cận.
Công thức trên không tính toán cho đồ thị bức xạ anten theo phơng thẳng đứng bởi nó ảnh hởng rất ít đến hệ số λ. Thực tế thì đối với cấu hình 3 sector thì giá trị λ =2,5 và cấu hình 6 sector thì λ=5.
Biểu thức tính toán cuối cùng đợc thêm vào để tính dung lợng là:
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại
Trong các trờng hợp đã xét thì ta đã giả định các MS đang phát 100% thời gian. Nhng trong thực tế bộ mã hóa thoại (vocoder) có tốc độ biến đổi có nghĩa là tốc độ đầu ra của bộ vocoder đợc điều chỉnh tùy thuộc vào mẫu đồ thị tiếng nói thực sự của ngời dùng. Ví dụ nh nếu ngời dùng không nói trong lúc đàm thoại, thì tốc độ đầu ra của bộ vocoder sẽ thấp để tránh phát công suất không cần thiết. Hiệu ứng của bộ mã hóa tốc độ biến đổi này là giảm đợc toàn bộ công suất đợc phát và vì vậy giảm đợc nhiễu, tăng đợc dung l- ợng hệ thống. Thống kê cho thấy thời gian đàm thoại chỉ chiếm 40 –50%. Bằng việc sử dụng bộ mã hóa thoại tốc độ thay đổi thì hệ thống sẽ giảm đợc tổng công suất nhiễu qua hệ số tích cực thoại.
Biểu thức cần bổ xung thêm là:
Với ν là hệ số tích cực thoại. Tính toán ta đợc: Với M lớn thì:
2.1.5 Kết luận
Dung lợng của một hệ thống CDMA phụ thuộc vào các yếu tố:
Dung lợng hay số ngời sử dụng đồng thời M tỉ lệ với độ lợi xử lý của hệ thống.
Đờng truyền đòi hỏi một tỉ số EbN0 riêng để đạt đợc một tỉ số lỗi BER có thể chấp nhận đợc mục đích để có tỉ số lỗi khung có thể chấp nhận đợc (FER). Dung lợng của hệ thống tỉ lệ nghịch với hệ số EbN0 yêu cầu của đờng truyền. Ngỡng yêu cầu EbN0 càng thấp thì dung lợng hệ thống càng cao.
Dung lợng của hệ thống có thể đợc tăng lên nếu có thể giảm đợc hệ số tải ở các MS trong các cell lân cận.
Việc lọc không gian, chẳng hạn nh chia sector thì có thể làm cho dung lợng hệ thống tăng lên đáng kể. Một cell có 6 sector thì sẽ có dung lợng lớn hơn một cell có 3 sector. Sử dụng bộ mã hóa thoại sẽ làm tăng dung lợng hệ thống.
2.2 Đờng truyền trong CDMA2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng 2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng
Trong hệ thống IS95 CDMA, các đờng lên và xuống có cấu trúc khác nhau. Điều này là cần thiết để phù hợp với những yêu cầu cho một hệ thống thông tin di động mặt đất. Đ- ờng xuống bao gồm bốn loại kênh logic: kênh pilot, kênh đồng bộ, kênh tìm gọi và kênh lu lợng. Mỗi đờng xuống vật lý có một kênh pilot (hoa tiêu), một kênh đồng bộ, và có 7 kênh tìm gọi, cùng vài kênh lu lợng. Mỗi kênh đờng xuống đầu tiên đợc trải phổ trực giao bởi hàm Walsh tơng ứng, sau đó nó đợc trải phổ bằng một cặp chuỗi PN ngắn cầu phơng. Tất cả các kênh đợc tổng hợp thành một tín hiệu trải phổ phát xuống MS.
Đờng lên gồm có 2 loại kênh logic: kênh truy nhập và kênh lu lợng. Mỗi kênh đờng lên này đợc trải phổ trực giao bằng một chuỗi PN dài duy nhất, vì thế nên mỗi kênh đợc phân biệt bằng mã PN dài. Kênh pilot không đợc sử dụng ở đờng lên là bởi mỗi MS không thể phát quảng bá chuỗi pilot riêng của nó.
2.2.2 Đờng xuống
Đờng xuống sử dụng mã walsh đợc tạo ra từ ma trận Hadamard 64x64 trực giao, bao gồm 64 hàm, mỗi kênh logic đợc xác định bằng một hàm walsh đã đợc phân bổ.
2.2.2.1Kênh Pilot
Kênh pilot đợc xác định bằng hàm Walsh 0 (w0). Kênh này không chứa thông tin trong băng tần gốc. Chuỗi băng tần gốc là một chuỗi 0 đợc trải phổ bằng hàm Walsh 0.
Kết quả chuỗi này (toàn 0) đợc nhân với cặp chuỗi PN cầu phơng. Nh vậy kênh pilot thực sự là chuỗi PN của chính nó.
Chuỗi PN với một (offset) dịch thời nào đó nhận dạng duy nhất sector mà phát ra tín hiệu pilot. Lu ý rằng cả 2 hàm Walsh 0 và chuỗi PN có tốc độ 1,2288Mcps. Sau khi trải phổ chuỗi PN, bộ lọc băng gốc đợc sử dụng để tạo dạng các xung số. Điều này đợc thực hiện thông qua bộ lọc thông thấp lọc dòng xung số và điều khiển phổ tín hiệu.
Kênh pilot là các xung đợc phát liên tục tại các sector trạm gốc. Kênh pilot cung cấp cho MS chuẩn về định thời (timing) và pha. Việc đo tỉ số S/N (hay Ec/Io) của MS trên kênh pilot cho biết sector nào phục vụ có tín hiệu mạnh nhất đối với MS để MS lựa chọn chuyển giao.
2.2.2.2Kênh đồng bộ
Không giống nh kênh pilot, kênh đồng bộ mang thông tin băng gốc. Thông tin này bao gồm bản tin kênh đồng bộ và thông báo cho MS biết về sự đồng bộ hệ thống và các tham số. Hình 2.6 mô tả thông tin băng gốc đợc bảo vệ lỗi và ghép xen;
Hình 2. Kênh đồng bộ
Kênh đồng bộ đợc trải phổ bằng hàm Walsh 32 sau đó đợc nhân với cặp chuỗi PN của sector đang phục vụ. Tốc độ của luồng thông tin băng gốc là 1,2kb/s.
Kênh đồng bộ phát theo nhóm siêu khung trên kênh đồng bộ, mỗi siêu khung gồm 96 bít và dài 90ms tốc độ số liệu là 96/90=1,2 kbps hình 2.7:
Hình 2. Cấu trúc khung của kênh đồng bộ
Mỗi khung của kênh đồng bộ đợc sắp hàng với một chuỗi PN ngắn (tơng ứng với sector đang xét). Chuỗi PN ngắn đợc lặp với thời gian 26,67 ms và mỗi chu kì của chuỗi PN ngắn đợc đồng bộ với mỗi khung kênh đồng bộ. Vì vậy, mỗi lần MS đồng bộ đợc với kênh pilot, sự sắp hàng cho kênh đồng bộ đợc thấy ngay lập tức. Lý do là vì kênh đồng bộ đợc trải phổ bằng cùng một chuỗi PN pilot và bởi vì định thời khung của kênh đồng bộ đợc sắp hàng với chuỗi PN pilot đó. Mỗi khi MS giành đợc sự sắp hàng với kênh đồng bộ thì MS có thể bắt đầu đọc bản tin kênh đồng bộ.
Bản tin của kênh đồng bộ thì dài và có thể chứa trong nhiều khung của kênh đồng bộ. Vì thế bản tin kênh đồng bộ đợc tổ chức theo một cấu trúc gọi là bao bọc bản tin kênh đồng bộ (Sync Channel Message Capsule. Một Capsule (bọc) bản tin kênh đồng bộ bao gồm: bản tin kênh đồng bộ và phần đệm (padding). Bản tin kênh đồng bộ đợc chứa nhiều khung đồng bộ, và bộ đệm (chứa các bít) đợc sử dụng để lấp đầy vào vị trí bít ở tất cả các đầu của siêu khung đồng bộ tiếp theo, nơi bắt đầu của bản tin kênh đồng bộ. Mỗi khung của kênh đồng bộ bắt đầu bằng bít khởi đầu của bản tin (SOM). Bít SOM là bít đầu tiên của khung ở mỗi kênh đồng bộ. Giá trị bít SOM là 1 chỉ ra bắt đầu của bản tin kênh đồng bộ, bít SOM là 0 chỉ ra khung của kênh đồng bộ hiện tại có nội dung của một bản tin kênh đồng bộ đang chạy mà đã đợc bắt đầu ở vài khung trớc đó. Theo cách này, BS có thể phát bản tin kênh đồng bộ trong các khung của kênh đồng bộ nối tiếp nhau. Chú ý rằng SOM 1 cũng là bắt đầu của một siêu khung của kênh đồng bộ. Nói cách khác, một bản tin của kênh đồng bộ luôn đợc bắt đầu ở đầu của siêu khung của kênh đồng bộ. Mỗi khung kênh đồng bộ bắt đầu với bít SOM, và phần còn lại của khung là phần thân khung của kênh đồng bộ. Hình 2.8 chỉ ra cấu trúc này. Bản tin của kênh đồng bộ chiếm 2 siêu khung liên tiếp:
Hình 2. Cấu trúc bản tin kênh đồng bộ (giả sử bản tin chiếm 2 siêu khung liên tiếp)
Bản tin kênh đồng bộ bao gồm các trờng khác nhau; bản tin chứa thông tin nh dịch thời của chuỗi PN pilot đợc sử dụng cho sector phát (chẳng hạn nh trờng PILOT-PN). Bản tin cũng chứa thông tin để có thể cho phép MS đồng bộ với chuỗi PN dài. Điều này đợc thực hiện bằng cách đọc các trờng LC_STATE và SYS_TIME của bản tin kênh đồng bộ. BS thiết lập trờng LC_STATE theo trạng thái mã dài ở khoảng thời gian tơng lai nhận đợc từ trờng SYS_TIME, và ở thời điểm chính xác đa ra bởi SYS_TIME, MS bắt đầu chạy chuỗi PN dài (ở trạng thái đa ra bởi trờng LC_STATE). Vì thế, sau khi thành công thu bản tin MS biết chính xác dịch thời PN nào của chuỗi PN ngắn, và MS đợc đồng bộ với chuỗi PN dài.
2.2.2.3Kênh tìm gọi
Đờng xuống có 7 kênh tìm gọi. Cũng giống nh kênh đồng bộ, kênh tìm gọi cũng mang thông tin băng tần gốc, nhng nó khác với kênh đồng bộ ở chỗ, kênh tìm gọi phát ở các tốc độ cao hơn, nó có thể phát ở tốc độ 4,8 hoặc 9,6 kb/s. Trờng PRAT trong bản tin kênh đồng bộ báo cho MS về tốc độ số liệu của kênh tìm gọi. Khi MS chiếm đợc định thời và sử dụng đồng bộ trên kênh đồng bộ thì MS sẽ bắt đầu giám sát kênh tìm gọi. Mặc dù có đến 7 kênh tìm gọi trên 1 sector nhng mỗi MS chỉ giám sát một kênh tìm gọi. Trên hình 2.9 thông tin băng tần gốc đợc bảo vệ lỗi đầu tiên, sau đó nếu tốc độ là 4,8kb/s thì các bít đợc lặp lại ngay tức khắc. Ngợc lại chúng không bị lặp lại
Hình 2. Cấu trúc kênh tìm gọi
Tiếp theo ghép xen, số liệu đầu tiên đợc trộn (để chống thu trộm) bằng một chuỗi PN dài đã bị rút bớt tốc độ, sau đó đợc trải phổ bằng một hàm walsh đợc phân bổ cho kênh tìm gọi và đợc trải phổ bằng chuỗi PN ngắn đợc phân bổ cho sector phục vụ. Hình 2.9 cho thấy mã PN dài đợc rút bớt theo một tỉ số suy giảm 64:1 ( nghĩa là từ 1,2288Mcps- > 19,4Ks/s). Chính bộ tạo mã dài đợc tạo mặt nạ với một mặt nạ chỉ định theo mỗi số kênh tìm gọi duy nhất (từ 1-> 7). Vì thế, mặt nạ mã dài đợc sử dụng cho kênh tìm gọi 1 (trải phổ bằng hàm walsh 1) là khác với mặt nạ mã dài đợc dùng cho kênh tìm gọi 3 ( đ- ợc trải phổ bằng hàm walsh 3).
Kênh tìm gọi đợc chia thành các slot 80 ms, mỗi nhóm có 2048 slot đợc gọi là một chu kì slot tối đa. Một slot 80ms đợc chia thành 4 khung kênh tìm gọi, mỗi khung kênh tìm gọi đợc chia thành 2 nửa khung tìm gọi. Bít đầu tiên của mỗi nửa khung đợc gọi là bít chỉ thị vỏ bọc đồng bộ. Hình 2.10 mô tả cấu trúc khung của kênh tìm gọi;
Hình 2. Cấu trúc khung của kênh tìm gọi ở tốc độ 9,6 kb/s
Một bản tin kênh tìm gọi có thể chiếm nhiều hơn một nửa khung kênh tìm gọi, và một bản tin có thể kết thúc ở giữa nửa khung của kênh tìm gọi . Bản tin trên kênh tìm gọi có thể đợc chuyển bằng vỏ bọc (Capsules) của bản tin kênh. Nếu một bản tin kết thúc ở giữa của một nửa khung kênh tìm gọi và nếu có ít hơn 8 bít giữa cuối của bản tin đó và bít SCI của nửa khung tiếp theo thì BS sẽ bao gồm cả bít đệm của nửa khung tiếp theo. Nếu vỏ bọc bản tin tiếp theo đợc phát đi là một vỏ bọc bản tin đợc đồng bộ, thì BS sẽ