Thị tần số/thời gian của hệ thống TH-CDMA

Về mặt định lượng, nếu các bit dữ liệu đưa đến bộ phát là bi (i là số nguyên) thì tín hiệu TH/SS có thể cho bởi biểu thức:

  0  1 0 0 k TH l ik T f i s i l s t   b p t iT a T lT         (2.15) Trong đó:   0 T

p t - Xung chữ nhật có độ lớn đơn vị trong T0 giây

ai - Số khe thời gian, là các số giả ngẫu nhiên được xác định nhờ J bit của chuỗi PN (J=2j) ai0,1,...,J 1

i - Khung thứ i

l - Số bit trong mỗi cụm, l=0,1,…,k-1

Các đặc trưng của hệ thống TH-CDMA

Như với giao thức CDMA, ta xét các đặc tính của giao thức TH-CDMA ở khía cạnh khả năng đa truy nhập, loại bỏ nhiễu đa đường, loại bỏ nhiễu băng hẹp, và xác suất thu trộm.

 Đa truy nhập: Khả năng đa truy nhập của tín hiệu TH-SS cũng giống như

của tín hiệu FH-SS, cụ thể là, bằng cách tạo ra xác suất của nhiều người dùng phát tín hiệu ở cùng một dải tần số, tại cùng một khoảng nhỏ thời gian. Trong trường hợp TH, tất cả đều phát tại cùng một dải tần số nên xác suất nhiều hơn một người phát tín hiệu tại cùng một thời điểm là rất nhỏ. Kết quả này cũng thu được nếu phân chia các mã khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau. Nếu xảy ra việc cùng phát đi nhiều tín hiệu đồng thời thì các mã sửa lỗi chắc chắn sẽ giúp ta thu lại được các tín hiệu mong muốn. Nếu có sự đồng bộ giữa những người dùng và các mã phân chia sao cho không có nhiều hơn một người dùng phát tín hiệu tại một thời điểm cụ thể, thì giao thức TH-CDMA thay đổi thành giao thức TDMA trong đó các khe thời gian giành cho một người dùng phát tín hiệu không cố định mà sẽ thay đổi từ khung này đến khung kia.

 Nhiễu đa đường: Trong giao thức TH-CDMA, tín hiệu phát đi trong thời

gian rút gọn (reduce time), do vậy tốc độ tín hiệu tăng lên và do các tín hiệu tán sắc nên sẽ dẫn tới hiện tượng các bit kề nhau chồng lên nhau (overlap). Do vậy, loại bỏ nhiễu đa đường không phải là một ưu điểm của giao thức này.

 Nhiễu băng hẹp: Một tín hiệu được phát đi trong thời gian rút gọn. Sự rút

gọn này bằng 1/Gp (Gp là độ lợi xử lý). Tại nơi thu, ta chỉ thu được một tín hiệu gây nhiễu trong suốt quá trình thu các tín hiệu mong muốn. Do đó, ta chỉ thu

được tín hiệu nhiễu trong 1/Gp phần trăm thời gian, công suất nhiễu giảm số lần bằng hệ số Gp.

 LPI: Với hệ thống TH-CDMA, một người dùng phát đi tín hiệu tại một tần

số xác định, nhưng lại phát tín hiệu tại một thời điểm chưa biết, và khoảng thời gian phát tín hiệu rất ngắn. Đặc biệt, khi đồng thời nhiều người dùng cùng phát tín hiệu, thì rất khó để bộ thu trộm phân biệt được điểm bắt đầu và kết thúc của quá trình truyền và khó xác định được quá trình truyền tín hiệu này phụ thuộc vào người dùng nào.

Ưu nhược điểm của hệ thống TH-CDMA

Ngoài một số các đặc tính đã đề cập ở trên, giao thức TH-CDMA còn có một số các đặc tính riêng có thể chia thành các ưu, nhược điểm như sau:

 Ưu điểm

- Việc thực hiện giao thức TH-CDMA đơn giản hơn giao thức FH-CDMA. - Đây là một phương pháp rất hữu dụng đối với bộ phát có công suất trung bình hữu hạn nhưng công suất đỉnh không hữu hạn do dữ liệu được truyền đi thành từng cụm ngắn với công suất cao.

- Cũng như với giao thức FH-CDMA, vấn đề gần-xa là một vấn đề rất nhỏ vì TH-CDMA là hệ thống phòng tránh, có nghĩa là hầu hết thời gian một thiết bị đầu cuối ở xa trạm gốc có thể phát tín hiệu một mình và không bị các trạm ở gần khác cản trở.

 Nhược điểm

- Việc đồng bộ mã mất thời gian dài, trong khi đó thời gian ở bộ thu thực hiện việc đồng bộ đòi hỏi ngắn.

- Nếu các tín hiệu phát đồng thời thì rất nhiều bit dữ liệu sẽ bị mất, nên cần dùng một mã sửa lỗi tốt và ghép xen dữ liệu.

2.2.4 Trải phổ lệch tần - Chirp SS

Mặc dù hệ thống SS lệch tần vẫn chưa được chấp nhận như giao thức CDMA, để trọn vẹn, trong phần này cũng mô tả ngắn gọn hệ thống này. Hệ thống SS lệch tần sẽ trải rộng băng thông nhờ việc điều chế tần số tuyến tính của sóng mang (chỉ ra trên hình 2.14). Độ lợi xử lý Gp là tích số của dải thông B có tần số

thay đổi và khoảng thời gian T của một tín hiệu đã cho.

p

B T 2 t 1 t 1 f 2 f Tần số Thời gian Hình 2.14: Điều chế trải phổ lệch tần 2.2.5 Hệ thống ghép – Hybrid

Hệ thống ghép CDMA bao gồm tất cả các hệ thống CDMA tận dụng sự tổ hợp của hai hay nhiều công nghệ điều chế SS đã được nêu ra ở trên. Nếu hạn chế chỉ xem xét đến các loại điều chế DS, FH, và TH, thì ta có thể có bốn hệ thống lai là: DS/FH, DS/TH, FH/TH và DS/FH/TH.

Các hệ thống tổ hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống không thể có được. Một mạch không phức tạp lắm gồm bộ tạo mã và bộ tổng hợp tần số cho trước.

Hệ thống ghép là tổng hợp các ưu điểm riêng của mỗi loại công nghệ điều chế. Ví dụ, nếu có hệ thống DS/FH ta sẽ có ưu điểm của tính chất chống nhiễu đa đường của hệ thống DS kết hợp với các thuận lợi trong điều khiển gần-xa của hệ thống FH. Tất nhiên, nhược điểm nằm trong việc tăng độ phức tạp của bộ phát và bộ thu.

Ta xét một số hệ thống lai như sau:

2.2.5.1 Hệ thống FH/DS

Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được dịch chuyển định kỳ. Phổ tần số số của bộ điều chế được minh họa như hình 2.15. Một tín hiệu DS xuất hiện tức thời có độ rộng băng là một phần độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH. Hệ thống tổ hợp FH/DS được sử dụng vì các lý do sau đây:

- Ghép kênh 2 s inx x       Tín hiệu chuyển dịch Kênh chuyển dịch Hình 2.15: Phổ tần số của hệ thống tổ hợp FH/DS

Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Ví dụ: trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1GHz thì hệ thống DS yêu cầu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136 Mc/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5 KHz. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì chỉ cần bộ tạo mã tức thời tốc độ 114 Mc/s và bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số.

Bộ phát FH/DS như hình 2.16 thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS đã được điều chế) không giống như bộ điều chế DS đơn giản. Nghĩa là có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS.

Bộ tổ hợp tần số Bộ điều chế cân bằng Bộ tạo mã Mã FH Mã DS Đầu ra FH/DS b(t) s(t) c(t) Hình 2.16: Bộ điều chế tổ hợp FH/DS

Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh tần số nhất định. Nhìn chung, tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ dịch tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên tất cả các kênh có tần số nằm trong tổng chiều dài sẽ được sử dụng nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã.

Bộ tương quan được sử dụng để giải tín hiệu điều chế đã được mã hóa trước khi thực hiện giải điều chế băng gốc tại đầu thu; bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được. Hình 2.17 minh họa bộ thu FH/DS điển hình.

Tổ hợp tần số Bộ điều chế cân bằng Bộ tạo mã Mã FH Mã DS Mã FH

Bộ lọc IF Giải điều chế băng gốc Đầu ra

Đầu vào FH/DS c f  f IF c f   f Hình 2.17: Bộ thu tổng hợp FH/DS

Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát từ hai điểm sau:

- Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian (IF)

- Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc

Độ lợi xử lý tính theo dB của hệ thống tổng hợp FH/DS có thể được tính bằng tổng độ lợi xử lý của hai loại điều chế trải phổ đó:

Gp(FH/DS) = Gp(FH)+Gp(DS)

= 10log(số lượng các kênh)+10log(BWDS/Rinfo) (2.17)

Do đó, giới hạn giao thoa trở nên khá lớn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DS đơn giản.

Về mặt định lượng, tín hiệu FH/DS cho bởi công thức:

              / 0 cos 2 h FH DS FH l l l T h t s t Ac t s t Ac t   f i f b f t  p t lT           (2.18)

Trong đó,   i Tc c

i

c t c p t iT

 

   là tín hiệu DS, sFH(t) là tín hiệu FH, với

 0,1

l

b  là giá trị của tín hiệu thông tin b(t) trong bước nhảy thứ l và il là số nguyên chẵn được xác định nhờ bộ phát chuỗi PN.

2.2.5.2 Hệ thống TH/FH

Về mặt định lượng, tín hiệu TH/FH có thể viết dưới dạng:

     

/ .

TH FH TH FH

s t  As t s t (2.29)

Với sTH(t) là tín hiệu TH, sFH(t) là tín hiệu FH.

Trong hệ thống này, một nhóm các bit dữ liệu được phát đi trong một khe thời gian của một khung. Số khe thời gian thay đổi theo các kiểu nhảy. Hệ thống TH/FH được sử dụng rộng rãi khi có nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Mô hình tổng hợp hệ thống TH/FH có thể ngăn chặn mạnh nhiễu đa người dùng về mặt thời gian hoặc tần số. Nếu sự đồng bộ giữa các người dùng thấp, thì vẫn có thể thu được tín hiệu tổng cộng có tính trực giao. Hệ thống cũng cung cấp một giải pháp cho vấn đề gần-xa.

2.2.5.3 Hệ thống TH/DS

Nếu phương pháp ghép kênh theo mã không đáp ứng được các yêu cầu về giao diện đường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp một hệ thống TDM với khả năng điều khiển tín hiệu. Hệ thống TH là giải pháp cho trường hợp cần sự đồng bộ nhanh đối với sự tương quan mã giữa các thiết bị đầu cuối của hệ thống DS. Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác mã tạo ra tại chỗ trong chu kỳ chip của mã PN.

Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH-TDM và hệ thống DS. Trong trường hợp này, kết cuối đóng/mở chuyển mạch có thể được trích ra dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bị đóng/mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích

hoạt bộ phát. Hình 2.18 minh họa bộ phát và bộ thu TH/DS. Bộ thu rất giống bộ phát, ngoại trừ phần phía trước của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/mở của tín hiệu trước khi truyền đi. Điều đó được thực hiện nhờ việc chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch được tạo lặp lại trong quá trình chọn mã. Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thứ nhất

tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m. Khi chọn bậc (n-r) và tách tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có thể tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai lần chu kỳ mã. Như ở trên thì n biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r là bậc ghi dịch không tách được.

Về mặt định lượng, tín hiệu TH/DS CDMA có thể viết dưới dạng:

        / . cos 2 TH DS TH c s t As t c t  f t (2.30) Với sTH(t) là tín hiệu TH,   i Tc c i c t  c p t iT     là dạng sóng trải phổ DS. Bộ điều chế

cân bằng Khóa chuyển RF

Bộ tạo bậc n Tín hiệu DS Mã PN Các cổng FF Tín hiệu TH/DS - - - Tín hiệu đầu vào n Nguồn sóng mang a) Bộ phát TH/DS (n-r) đường Khóa chuyển RF Bộ lọc IF Các cổng (n-r) đường Mã PN Bộ tạo bậc n FF Tín hiệu ra - - - Tín hiệu đầu vào n Tín hiệu TH/DS b) Bộ thu TH/DS Điều chế cân băng

Hình 2.18: Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS

Tóm lại

Chương 2 đã trình bày về:

- Nguyên lý chung của hệ thống CDMA, từ đó tìm hiểu về các đặc trưng của hệ thống này.

- Tìm hiểu về nguyên lý thu, phát, các đặc trưng, ưu điểm và hạn chế của một số giao thức CDMA như: hệ thống DS, hệ thống FH, hệ thống TH, hệ thống

Chương 3 – CÁC MÔ HÌNH TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS

3.1 Giới thiệu

Từ các ưu điểm về dung lượng, tính đơn giản trong quy hoạch tần số, chuyển giao mềm, chống nhiễu, chống phá hoại, bảo mật… công nghệ CDMA băng rộng là kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến được đề nghị sử dụng trong thông tin di động thế hệ thứ 3 và tương lai với đủ loại hình dịch vụ.

Với sự phát triển của thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng theo hướng nâng cao tốc độ để hỗ trợ một số dịch vụ cao cấp như Multimedia, truyền hình, truyền dữ liệu… di động, việc kết hợp kỹ thuật điều chế đa sóng mang MCM với kỹ thuật CDMA nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai kỹ thuật này là một giải pháp đầy hứa hẹn. CDMA đa sóng mang được giới thiệu lần đầu vào năm 1993 và ngay lập tức trở thành một trong những vấn đề mang tính thời sự nhất về thông tin di động cho đến nay. Hình 3.1 là mô hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS, kết hợp giữa CDMA và OFDM.

Trải phổ c1 Trải phổ ck .. . 1 d k d C hu yể n đổ i S /P .. . O F D M x

Hình 3.1: Mô hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS

Hệ thống thông tin trải phổ đa sóng mang MC-SS đã phát huy các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ cũng như kỹ thuật MCM, rất nhiều tài liệu nghiên cứu về vấn đề này, song nói chung có thể chia nó ra làm hai nhóm chính, tạm gọi như sau:

 Nhóm I: Multicarrier CDMA – đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang hay còn gọi là OFDM-CDMA.

 Nhóm II: Bao gồm MC-DS-CDMA – đa truy nhập phân chia theo mã dãy