Chương 2 Truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS
2.2 Các hệ thống trải phổ
Có ba hệ thống trải phổ cơ bản: trải phổ dãy trực tiếp DSSS (Diresct Sequence Spectrum System), trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum System) và hệ thống nhảy tần thời gian THSS (Time Hopping Spread Spectrum System). Ngoài ra còn có thể kết hợp các hệ thống trải phổ trên thành các hệ thống trải phổ lai. Hệ thống trải phổ được sử dụng rộng rãi trong thông tin di động là hệ thống trải phổ trực tiếp DSSS, còn được viết tắt là DS CDMA. -
Trong hệ thống DSSS tín hiệu được trải phổ thông qua hai bước, trước hết tín hiệu được điều chế với độ rộng băng tần là độ rộng băng tần cơ sở tín hiệu, sau đó tín hiệu đã được điều chế sẽ được trải phổ thành tín hiệu băng rộng bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chíp (Wc lớn hơn rất nhiều so với tốc độ của tín hiệu cơ sở cần phát. Do hệ thống di động thế hệ thứ ba yêu cầu phải phục vụ được số lượng thuê bao lớn, nên quá trình trải phổ được thực hiện thông qua hai bước. Trước hết tín hiệu cần được trải phổ được nhân với mã định kênh (Channelisation code). Các mã định kênh này được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật hệ số khá biến trực giao OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) dựa vào ma trận mã Hadamard. Đặc điểm của mã định kênh này là luôn tồn tại hai mã trên cùng một cây mã mà chúng hoàn toàn trực giao với nhau về mặt pha. Do vậy chúng đảm bảo được số lượng thuê bao cực đại. Sau đó tín hiệu được nhân với một dãy giả ngẫu nhiên.
Tín hiệu sau khi di qua bộ nhân này sẽ bằng phẳng về mặt phổ, không có những điểm lồi lõm trong phổ.
Trong hệ thống DSSS, ta có thể dùng bộ thu RAKE để loại bỏ nhiễu do fading (nhiều tín hiệu đến đầu thu tại các thời điểm khác nhau). Thêm vào đó, hệ thống DSSS có khả năng chống nhiễu cao hơn các hệ thống FDMA, TDMA.
Điều này giúp cải thiện đáng kể việc quy hoạch tần số trong mạng và loại bỏ nhiễu giữa các cell lân cận. Với DSSS, các cell lân cận có thể dùng chung một tần số, điều này không thể áp dụng cho hệ thống FDMA, TDMA Hơn nữa, hệ thống DSSS có lợi hơn cho việc truyền thoại do tối ưu với việc giao tiếp thoại so với các hệ thống FDMA, TDMA.
Để có thể tận dụng ưu điểm của các phương tức đa truy nhập cơ bản TDMA, FDMA và phương thức đa truy nhập băng rộng CDMA, người ta kết hợp các phương pháp trên để cho các phương pháp đa truy nhập lai. Trong phần tới ta sẽ đề cập tới phương pháp WCDMA và TD/CDMA, đó là hai phương thức đa truy nhập được ETSI khuyến nghị dùng trong hệ thống UMTS.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ WCDMA có hai chế độ: chế độ ghép song công chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex).
Phương pháp FDD là phương phát được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống di động tổ ong. FDD đòi hỏi các băng tần tách biệt cho đường lên và đường xuống. Phương pháp TDD sử dụng chung một băng tần số nhưng luân phiên thay đổi phương truyền theo thời gian. Chế độ ghép song công phân chia theo thời gian TDD cho phép hệ thống hoạt động ở phổ một tần số trong khi FDD sử dụng hai tần số. Khác với FDD phải sử dụng cặp sóng mang truyền dẫn song công, TDD chỉ sử dụng một sóng mang cho truyền dẫn song công. Sự khác nhau về phân bổ tần số ở FDD và TDD được thể hiện ở hình 2.7. Bản chất của việc phân chia hai chế độ này là lý do tạo cho nhà cung cấp khả năng linh hoạt về tần số vì trên thực thế tài nguyên tần số có hạn và ngày càng được sử dụng. TDD giúp cho nhà cung cấp có thể hoạt động mà ít tốn băng tần số hơn.
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD.
UTRA TDD UTRA FDD
Phương pháp đa truy nhập
TDMA, CDMA CDMA
Phương pháp song công TDD FDD
Phân cách kênh 5 MHz
Tốc độ chip 3.84 MHz
Cấu trúc thời gian 10 ms
Khái niệm đa tốc độ Đa mã, đa khe thời gian và hệ số trải phổ khả biến OVSF
Đa mã và OVSF
Điều chế QPSK
Dạng cụm Ba kiểu: Lưu lượng, truy nhập ngẫu nhiên và đồng bộ
Không áp dụng Chuyển giao bên trong
tần số
Chuyển giao cứng Chuyển giao mềm
Hệ số trải phổ 1,2,4,8,16 4,8,16,… ,512
Bảng 2.2 So sánh đặc điểm chính giữa UTRA TDD và FDD
Trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian, quá trình truyền tín hiệu được chia thành nhiều khoảng thời gian, chúng được gọi là khe thời gian.
Không giống như GSM, mỗi khe thời gian không được được dành riêng cho một kênh truyền đơn lẻ mà được dùng cho nhiều kênh truyền đồng thời. Điều này có thể xảy ra là do bản thân công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã.
Như vậy, theo lý thuyết thì số kênh truyền tối đa có thể được dùng bằng số khe thời gian nhân với số mã định kênh tối đa. Điều này làm tăng dung lượng của hệ thống.
Hình 2.7 Dải tần số của GSM, UMTS
Ta có thể thấy băng tàn dành cho FDD là từ 1920-1980 MHz cho đường lên và 2110-2170 MHz cho đường xuống. Đối với TDD thì băng tần có thể sử dụng là 1900-1920 MHz và 2010 2025 MHz dung chung cho cả đường lên và -
đường xuống. Các dải tần số 1980-2010 và 2170-2200 MHz là dành cho đường lên và đường xuống của thong tin vệ tinh.
Trong hệ thống này, tỷ số giữa tốc độ chip với tốc độ bit thông tin của một kênh đường xuống được giữ không đổi, trong khi kênh đường lên thì có thể thay đổi. Để có thể thiết lập kênh truyền với các tốc độ khác nhau, cần phải xây dựng một loạt các kênh tốc độ cơ bản và định rõ tốc độ giới hạn cho các kênh cùng chia sẽ một tần số và hoạt động đồng thời.
Phương thức TDD thường được dùng trong các hệ thống cung cấp các dịch vụ không đối xứng (một hướng có tốc độ cao hơn hướng còn lại) ví dụ có thể dành một số khe thời gian cho việc truyền một hướng và các khe thời gian còn lại cho hướng còn lại.