Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.3.1. Các đặc điểm của CDMA
Trong h ệ thống điều chế băng h p như đi u chế FM analog sử ụẹ ề d ng trong hệ ố th ng đi n thoại tổệ ong th h u tiên thì tính đa đư ng t o nên nhiều ế ệ đầ ờ ạ fading nghiêm trọng. Tính nghiêm tr ng cọ ủa vấn đ fading đa đư ng đưề ờ ợc giảm đi trong điều ch CDMA băng r ng vì các tín hi u qua các đư ng khác ế ộ ệ ờ nhau được thu nh n mộậ t cách đ c l p. ộ ậ
Nhưng hiện tư ng fading xảợ y ra m t cách liên tục trong hệ ốộ th ng này do fading đa đường không th loại trừ ể hoàn toàn được vì v i các hi n tư ng fading ớ ệ ợ
đa đường xảy ra liên tục đó thì b gi i đi u chế không thộ ả ề ể ử x lý tín hi u thu ệ một cách độ ậc l p đư c. ợ
Phân tập là một hình th c t t đ làm gi m fading, có 3 loại phân tập là ứ ố ể ả theo th i gian, theo t n sờ ầ ố và theo khoảng cách. Phân tập theo thời gian đ t ạ được nh s d ng vi c chèn và mã s a sai. Hờ ử ụ ệ ử ệ th ng CDMA băng rộố ng ng ứ dụng phân t p theo tậ ần số nh viờ ệc mở ộ r ng kh năng báo hi u trong một băng ả ệ tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hư ng đ n băng t n báo ở ế ầ hiệu (200 300) KHz. Phân t- ập theo khoảng cách hay theo đường truy n có thể ề đạt đư c theo 3 phương pháp sau: ợ
- Thiết lập nhiều đư ng báo hiệu (chuyển vùng mờ ềm) đ kể ết nối máy di động đ ng th i v i 2 ho c nhi u BTS. ồ ờ ớ ặ ề
- Sử dụng môi trư ng đa đườ ờng qua ch c năng tr i ph gi ng như b thu ứ ả ổ ố ộ quét thu nhận và tổ ợ h p các tín hi u phát v i các tín hệ ớ iệu phát khác trễ thời gian.
- Đặt nhi u anten tại BTS. ề Có 3 d ng phân tạ ập:
+ Phân t p theo thậ ời gian - Chèn mã, tách lỗi và mã s a sai.ử + Phân t p theo tậ ần số - tín hiệu băng rộng 1,25 MHz.
+ Phân t p theo khoậ ảng cách (theo đường truyền) - hai cặp anten thu của BTS, bộ thu đa đường và kết nố ới v i nhi u BTS (chuy n vùng m m).ề ể ề
Phân tập anten có thể ễ d dàng áp dụng đ i v i h th ng FDMA và ố ớ ệ ố TDMA. Phân tập theo thời gian có thể đư c áp dụng cho tấ ảợ t c các h th ng số ệ ố có tốc đ mã truy n dộ ề ẫn cao mà thủ ụ t c sửa sai yêu cầu. Nhưng các phương pháp khác có thể ễ d dàng áp d ng chụ ỉ cho h thốệ ng CDMA.
Dải rộng của phân tập theo đường truyền có th đư c cung cấể ợ p nh c ờ đặ tính duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức đ phân t p cao tạo ộ ậ nên nhưng hoạ ột đ ng tốt hơn trong môi trường EMI l n. ớ
B ộ điều khiển đa đư ng tách d ng sóng PN nhờ ạ ờ ử ụ s d ng bộ tương quan song song. Máy di động s d ng 3 bộ ử ụ tương quan, BTS sử ụ d ng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song g i là máy thu quét, nó xác đọ ịnh tín hiệu thu theo mỗi đư ng và t h p, gi i điờ ổ ợ ả ều ch t t cảế ấ các tín hiệu thu được.
Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hi u thu nhưng không có s tương quan ệ ự giữa các đư ng thu. Vì vờ ậy tổng các tín hiệu thu đư c có đ ợ ộtin c y cao vì khậ ả năng có fading đồng th i trong t t cảờ ấ các tín hi u thu đượệ c là r t th p. ấ ấ
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp d ng m t cách đ ng th i cho hệ ụ ộ ồ ờ thống thông tin có 2 BTS sao có thể ự th c hiện được chuyển vùng mềm cho máy di động.
(2) Điều khi n công suất CDMA ể
H ệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khi n công su t 2 chiều (từ ể ấ BTS đến máy di đ ng và ngưộ ợ ại) đểc l cung c p mấ ộ ệ ốt h th ng có dung lư ng ợ lưu lượng l n, ch t lư ng dịớ ấ ợ ch v cu c g i cao và các l i ích khác. Mục đích ụ ộ ọ ợ của đi u khiển công suất phát củề a máy di đ ng là đi u khiển công su t phát cộ ề ấ ủa máy di động sao cho tín hi u phát cệ ủa tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có th được thu vớ ộể i đ nh y trung bình tạ ại bộ thu của BTS. Khi công suất phát của tấ ảt c các máy di động trong vùng phục vụ đư c điợ ều khiển như vậy thì tổng công suất thu được tại bộ thu c a BTS tr thành công su t thu ủ ở ấ trung bình của nhiều máy di đ ng. ộ
B ộ thu CDMA của BTS chuyển tín hiệu CDMA thu được t máy di ừ động tương ng thành thông tin sốứ băng h p. Trong trư ng hợp này thì tín hiệu ẹ ờ của các máy di đ ng khác còn lộ ại chỉ như là tín hi u tệ ạp âm của băng r ng. Thủ ộ tục thu hẹp băng đư c gọợ i là độ lợi xử lý nhằm nâng cao tỷ ố s tín hi u/giao ệ thoa (dB) t giá trừ ị âm lên đến một m c đủ ớứ l n đ cho phép ho t đ ng đượể ạ ộ c v i ớ lỗi bit chấp nhận được.
Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của h thống CDMA bằệ ng cách tăng s lưố ợng các cu c g i đ ng th i trong mộộ ọ ồ ờ t băng t n cho trư c. Dung ầ ớ lượng h thống là tốệ i đa khi tín hi u truyềệ n c a máy di độủ ng đư c thu b i BTS ợ ở có tỷ ố s tín hi u/giao thoa ởệ m c yêu cầu t i thi u qua viứ ố ể ệc điều khiển công suấ ủt c a máy di động.
Hoạt đ ng của máy di độ ộng s b gi m chẽ ị ả ất lượng nếu tín hiệu c a các ủ máy di đ ng mà BTS thu đưộ ợc là quá yếu. Nếu các tín hiệu của các máy di động đ kho thì ho t đ ng c a các máy này sủ ẻ ạ ộ ủ ẽ được cải thiện nhưng giao thoa đố ới v i các máy di động khác cùng sử ụ d ng một kênh s tăng lên làm cho chất ẽ lượng cu c g i của các thuê bao khác sẽ ịộ ọ b gi m nếả u như dung lư ng tối đa ợ không giảm.
Việc đóng, mở m ch đi u khiểạ ề n công su t t máy di độấ ừ ng t i BTS và ớ điều khiển công suất t BTS từ ới máy di động s d ng trong hệ ốử ụ th ng CDMA được ch trên hình 1.3. Mạch mởỉ đư ng đi u khiển công su t tờ ề ấ ừ máy di động tới BTS là chức năng ho t đ ng cơ b n của máy di động. Máy di đ ng điạ ộ ả ộ ều chỉnh ngay công su t phát theo sấ ự biến đổi công suất thu đượ ừc t BTS. Máy di động đo m c công su t thu đư c t BTS và đi u khi n công su t phát tứ ấ ợ ừ ề ể ấ ỷ l ệ nghịch với mức công suất đo đư c. Mạch mởợ đư ng đi u khi n công suờ ề ể ất làm cho các tín hiệu phát củ ấ ảa t t c các máy di động đư c thu v i cùng m t mứ ạợ ớ ộ c t i BTS. BTS cung cấp chức năng mạch mở đường đi u khi n công su t qua việc ề ể ấ cung cấp cho các máy di động m t h ng s nh c cho nó. Hộ ằ ố đị ỡ ằng số định cỡ liên quan chặt chẽ ớ t i y u tế ố ả t i và t p âm c a BTS, đ tăng ích anten và b ạ ủ ộ ộ khuếch đ i công suạ ất. Hằng số này được truyền đi t BTS t i máy di đừ ớ ộng như là một phần của bản tin thông báo.
Hình 1.3: Điều khiển công suất trong CDMA.
BTS th c hiự ện chức năng kích ho t đ i với mạạ ố ch đóng đi u khi n công ề ể suất từ máy di động t i BTS. Khi mạớ ch đóng d n đ n vi c BTS địẫ ế ệ nh c công ỡ suất mạch mở xác đ nh c a máy di ị ủ động một cách t c thứ ờ ểi đ máy di động giữ được công su t phát tối ưu. ấ
BTS so sánh tín hiệu thu đư c từ máy di động liên quan v i giá trợ ớ ị ngưỡng biến đ i và điổ ều khiển công suất tăng hay giảm sau mỗi khoảng thời gian 1,25 ms cho đến khi đ t kếạ t qu . Vi c đ nh c giá tr mả ệ ị ỡ ị ạch đóng để bù cho giá trị xác đ nh c a m ch mởị ủ ạ mà m ch m này bù đ tăng ích ch p nhậạ ở ộ ấ n đư c ợ và suy hao truy n dề ẫn của các đường đi và đến giữa BTS và máy di động.
BTS cung cấp việc điều khiển công suất t BTS từ ới máy di đ ng nhờ ộ việc quy định công su t này tương ng v i công su t đo đư c t i máy di động. ấ ứ ớ ấ ợ ạ Mục đích c a việủ c đi u khiển này là làm giề ảm công suất phát của máy di động khi rỗi hoặc ở ị v trí tương đối gần BTS, làm cho fading đa đư ng thấờ p và gi m ả hi u ệ ứng bóng râm hay làm gi m giao ả thoa đối với các BTS khác. Do đó, công suất được cung cấp thêm đối với các vùng thu tín hi u bịệ gián đo n ho c đ i ạ ặ ố với máy di đ ng ở xa có tỷ l lộ ệ ỗi cao.
(3) Công suất phát th p ấ
Việc giảm tỷ ố s Eb/No (tương ứng với tỷ s ố tín hiệu/nhiễu) chấp nhận được không ch ỉlàm tăng dung lượng hệ ố th ng mà còn làm gi m công suả ất phát yêu cầu đ kh c phục tạp âm và giao thoa. Việc giảm này nghĩa là giảm công ể ắ suất phát yêu cầu đ i với máy di động. Nó làm gi m giá thành và cho phép hoố ả ạt động trong các vùng rộng l n hơn với công suấớ t th p khi so với các hệ ốấ th ng analog hoặc TDMA có công suất tương tự. Hơn n a, vi c gi m công suất phát ữ ệ ả yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục v và làm giảụ m s lư ng BTS yêu c u khi so ố ợ ầ với các hệ thống khác.
Một tiến bộ ớ l n hơn c a vi c đi u khi n công su t trong hủ ệ ề ể ấ ệ ố th ng CDMA là làm gi m công suả ất phát trung bình. Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền d n là thu n lợ ố ớẫ ậ i đ i v i CDMA. Trong các h th ng băng h p thì công ệ ố ẹ suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để kh c ph c fading t o ra theo thời gian. ắ ụ ạ Trong hệ ố th ng CDMA thì công su t trung bình có thể ảấ gi m bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có đi u khi n công su t và công su t phát chề ể ấ ấ ỉ tăng khi có fading.
(4) Bộmã gi i mã thoại và tố- ả c độ số ệ li u biến đổi
B ộ mã giải mã tho i c- ạ ủa hệ ố th ng CDMA được thiế ế ớt k v i các tốc đ ộ biến đổi 8 Kb/s. Dịch vụ tho i 2 chiềạ u c a t c đ s li u bi n đ i cung c p ủ ố ộ ố ệ ế ổ ấ thông tin thoại có sử ụ d ng thuật toán mã - giải mã tho i tạ ốc đ s liộ ố ệu biến đ i ổ động gi a BTS và máy di độữ ng. B ộ mã gi i mã thoại phía phát lấy mẫu tín - ả hiệu thoại để ạ t o ra các gói tín hi u thoệ ại đư c mã hoá dùng đểợ truy n tới bộ ề mã - giải mã tho i phía thu. Bạ ộ mã gi i mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói - ả tín hi u thoệ ại thu được thành các mẫu tín hi u tho i. ệ ạ
Hai bộmã gi i mã thoại thông tin v i n- ả ớ hau ở 4 nấc tốc đ truy n dẫộ ề n là 9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s, 1200 b/s, các tốc đ này đưộ ợc chọn theo điều ki n ệ hoạt động và theo b n tin hoả ặc số ệ li u. Thuật toán mã - giải mã thoại chấp nhận
CELP (mã dự đoán tuy n tính thế ực tế), thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là QCELP.
B ộ mã giải mã thoại biế- n đ i sổ ử ụ d ng ngư ng tương thính đ chỡ ể ọn tốc độ ố ệ s li u. Ngư ng đư c đi u khi n theo cườỡ ợ ề ể ng đ c a t p âm n n và t c đ s ộ ủ ạ ề ố ộ ố liệu sẽ ch chuy n đổi thành tốỉ ể c đ cao khi có tín hiệu thoại vào. Do đó, tạp âm ộ nền bị tr ệ i t đi đ ạo ra sự truyền dẫể t n tho i ch t lư ng cao trong môi trường tạp ạ ấ ợ âm.
(5) Bảo mật cuộc g i ọ
H ệ thống CDMA cung c p ch c năng b o mấ ứ ả ật cuộc gọi mức đ cao và ộ v ề cơ bản là tạo ra xuyên âm, việc sử ụ d ng máy thu tìm kiếm và sử ụ d ng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối v i hớ ệ th ng tố ổ ong s CDMA bố ởi vì tín hiệu CDMA đã được scrambing (trộn). V cơ b n thì công nghệ CDMA cung ề ả cấp khả năng bảo mật cu c gọộ i và các kh năng b o vệ khác, tiêu chuẩn đềả ả xu t ấ gồm khả năng xác nhận và bảo mật cu c g i đư c định rõ trong EIA/TIA/IS-ộ ọ ợ 54-B. Có thể mã hoá kênh thoại số một cách d dàng nhờ ử ụễ s d ng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chu n khác.ẩ
(6) Máy di động có chuy n vùng mể ềm
Trong chuyển vùng mềm, cả BTS ban đầu và BTS mới cùng tham gia vào vi c chuyệ ển giao cuộc g i.ọ
Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BTS ban đ u, cả ầ hai BTS, BTS mớI, do đó làm tối thiểu hoá sự gián đo n cu c gạ ộ ọi và làm cho ngườ ửi s dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng mềm. Như vậy, trong khi hệ ố th ng analog và hệ ố th ng TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch "cắt - trước khi - nối" thì chuyển vùng mềm c a h th ng CDMA ch p nh n hình thức ủ ệ ố ấ ậ chuyển mạch "nối - trước khi - c t". ắ
Sau khi cuộc gọi đư c thiợ ết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hi u cệ ủa BTS bên cạnh đ so sánh cườể ng đ tín hi u củộ ệ a ô bên c nh v i cư ng đ tín ạ ớ ờ ộ
hiệu của ô đang s d ng. N u cư ng đ tín hi u đ t đ n m t mứử ụ ế ờ ộ ệ ạ ế ộ c nh t đ nh nào ấ ị đó có nghĩa là máy di đ ng đã di chuyộ ển sang một vùng ph c v c a m t BTS ụ ụ ủ ộ mới và trạng thái chuyển vùng mềm có th b t đ u. Máy di đ ng chuyểể ắ ầ ộ n m t ộ bản tin đi u khiển tới MSC để thông báo về cường độ tín hiệu và số hiệu của ề BTS mới. Sau đó, MSC thi t lập mộế t đư ng n i mớờ ố i gi a máy di động và BTS ữ mới và bắt đ u quá trình chuyểầ n vùng m m trong khi v n gi đư ng k t n i ề ẫ ữ ờ ế ố ban đ u. Trong trưầ ờng h p máy di động đang trong một vùng chuyểợ n đ i gi a ổ ữ hai BTS thì cuộc gọi đư c th c hiợ ự ện bởi c hai BTS sao cho chuy n vùng mả ể ềm có thể thực hiện đư c mà không có hiện tượợ ng ping-pong gi a chúng. BTS ban ữ đầu c t đư ng kế ốắ ờ t n i cu c g i khi viộ ọ ệc đấu nối cu c gộ ọi với BTS mới đã th c ự hiện thành công.
(7) Dung lượng
Dung lượng của các hệ thống CDMA là một vấn đề vô cùng quan trọng khi xét tới tính khả thi về mặt kinh tế vì tổng doanh thu của nhà khai thác thì tỉ lệ thuận với dung lượng hệ thống. Ví dụ, xét trường hợp đơn giản nhất trong đó tất cả các người sử dụng đều được cấp một loại dịch vụ với giá thành ngang nhau. Khi đó doanh thu của nhà khai thác sẽ đạt cực đại nếu nhà khai thác nâng số người sử dụng lên mức tối đa. Tất nhiên là bên cạnh đó doanh thu còn phụ thuộc vào các nhân tố kinh tế khác như giá và các yếu tố cạnh tranh hay giới hạn về công nghệ của hệ thống.
Một yếu tố quan trọng khác khi nhắc tới dung lượng hệ thống là định cỡ hệ thống. Ví dụ, nếu dung lượng là một hàm của nhiều thông số hệ thống khác nhau thì ta có thể xác định kích thước yêu cầu của các thông số cơ bản trong hệ thống để đáp ứng tải lưu lượng yêu cầu.
a. Định nghĩa
Dung lượng là số tối đa những người dùng đồng thời được hệ thống phục vụ trong khi vẫn thoả mãn các yêu cầu về chất lượng dịch vụ của từng người sử dụng như tốc độ dữ liệu, tỉ lệ lỗi bít BER và xác suất nghẽn.
b. Dung lượng TDMA và FDMA-Khái niệm nghẽn cứng
Trong các hệ thống đa truy nhập thông thường như FDMA và TDMA, các kênh lưu lượng được phân cho người dùng chừng nào vẫn còn kênh rỗi, khi tất cả các kênh đều bận thì tất cả các luồng lưu lượng khác tới đều bị khoá cho tới khi một cuộc gọi nào đó kết thúc và giải phóng kênh.
Trong hầu hết các hệ thống chuyển mạch kênh nhiều ngưòi sử dụng đồng thời thì hiện tượng nghẽn xảy ra khi tất cả các khe tần số và thời gian đều đã bị chiếm hết. Hiện tượng nghẽn đó còn gọi là nghẽn cứng.
Như vậy trong FDMA hay TDMA, dung lượng hệ thống tương đương với số khe tần số hay số khe thời gian vì các hệ thống TDMA và FDMA có xu hướng sử dụng hết các kênh tần số hoặc các khe thời gian trước khi rơi vào tình trạng quá tải về dung lượng hoặc vùng phủ sóng.
Xác suất nghẽn đối với các hệ thống FDMA và TDMA được tính trực tiếp theo công thức Erlang B cổ điển như sau:
Pnghẽn= ( )
∑= n
k
k n
k n
0
! / ) / (
! / /
à λ
à λ
Trong đó:
- λ [số cuộc gọi / giây] là tốc độ đến có phân bố Poisson
- 1/à [ giõy / cuộc gọi ] là thời gian phục vụ trung bỡnh cú phõn bố mũ - n là số kênh
- λ/àlà lưu lượng yờu cầu trung bỡnh đo bằng đơn vị Erlang Khi đú, số trung bỡnh cỏc thuờ bao tớch cực là (λ/à)(1 – Pnghẽn).
c. Dung lượng CDMA Khái niệm nghẽn mềm-
Trong các hệ thống CDMA, những giới hạn về công suất truyền và các loại nhiễu phát sinh trong hệ thống cũng làm cho dung lượng bị giới hạn. Đó là do các hệ thống CDMA có xu hướng bị giới hạn về dung lượng hoặc vùng phủ sóng trước khi tài nguyên mã sử dụng hết. Ví dụ, dung lượng đường truyền hướng lên đạt giới hạn khi công suất truỳên của một máy di động không đủ để thắng được nhiễu từ các MS khác để có thể đáp ứng tỉ số Eb/No yêu cầu tại BS đích. Tương tự như thế, ở đường truyền hướng xuống thì giới hạn về dung lượng đạt tới khi tổng công suất yêu cầu để truyền thành công tới tất cả các máy di động trong một cell vượt quá công suất BS để đáp ứng tỉ số Eb/No yêu cầu ở tất cả các máy di động trong cell đó.
Trong hệ thống CDMA thì mọi người đều dùng chung một phổ tần số. Do đó những người sử dụng mới sẽ được phục vụ chừng nào bộ thu còn có thể xử lý được. Giả sử rằng số bộ xử lý ở trạm gốc không bao giờ thiếu do đó sẽ không xảy ra trường hợp một người dùng nào đó thấy hệ thống đang ở trong trạng thái bận. Khi đó hiện tượng nghẽn sẽ xảy ra trong hệ thống CDMA nếu mức nhiễu gây ra do những người sử dụng khác lớn hơn mức nhiễu nền một tỉ số xác định nào đó. Về mặt lý thuyết thì tỉ số này có thể lớn tuỳ ý tuy nhiên khi nó vượt quá 10% thì mức nhiễu tăng lên khi có thêm một người sử dụng tăng rất lớn làm cho hệ thống mất ổn định. Do đó ta nói rằng hiện tượng nghẽn trong CDMA xảy ra khi nhiễu tổng cộng trên mức nhiễu nền vượt quá 1/η trong đó η tương ứng với 10 dB. Như vậy khái niệm nghẽn trong CDMA thực chất là ‘nghẽn mềm’ chứ không phải là “nghẽn cứng” do các kênh đã bị chiếm hết như trong các hệ thống khác. Chú ý là trong CDMA xác suất quá tải không tương đương hoàn toàn với xác suất nghẽn cuộc gọi: nghẽn xảy ra khi một MS tới không được chấp nhận trong hệ thống còn quá tải xảy ra khi một MS được