2. 1T ỒNG QUAN VỀ MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI
3.1 HỆ THỐNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG CDMA
3.1.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ CDMA
Trong hệ thống đa truy nhập phõn chia theo mó (CDMA), mỗi người dựng
được gỏn một chuỗi mó duy nhất để mó húa tớn hiệu mang thụng tin. Mỏy thu, biết
được chuỗi mó của người dựng, giải mó tớn hiệu thu sau khi nhận được và khụi phục lại dữ liệu ban đầu. Điều này cú thể thực hiện được do sự tương quan chộo giữa mó của người dựng mong muốn và mó của cỏc người dựng khỏc là rất nhỏ. Do băng tần của tớn hiệu mó được chọn lớn hơn rất nhiều băng tần của tớn hiệu mang thụng tin nờn quỏ trỡnh mó húa mở rộng phổ tớn hiệu (trải phổ) và được biết đến với tờn gọi là
điều chế trải phổ. Tớn hiệu kết quả được gọi là tớn hiệu trải phổ, và CDMA thường
được gọi là đa truy nhập trải phổ (SSMA).
Trải phổ tớn hiệu phỏt mang lại cho CDMA khả năng đa truy nhập. Kỹ thuật
điều chế trải phổ phải đỏp ứng được hai chỉ tiờu:
- Băng tần tớn hiệu phỏt phải lớn hơn nhiều so với băng tần tớn hiệu thụng tin; - Băng tần vụ tuyến sau khi điều chế trải phổđược xỏc định bởi một hàm hơn là được xỏc định bởi thụng tin truyền đi (vỡ thế băng tần độc lập thống kờ với tớn hiệu thụng tin). Điều này yờu cầu sử dụng cỏc kỹ thuật điều chế như điều tần (FM) và điều pha (PM).
Tham số chớnh trong hệ thống trải phổ là độ lợi xử lý (processing gain - PG), Gp, là tỷ số giữa băng tần phỏt và băng tần thụng tin của hệ thống trải phổ. i t p B B G = (3.1)
Trong đú Bt là băng tần phỏt và Bi là băng tần của tớn hiệu mang thụng tin [19]. Độ lợi xử lý thực chất là tỷ số của tớn hiệu thực trờn tớn hiệu gõy nhiễu tại mỏy
thu sau khi thực hiện giải trải phổ (loại bỏ mó giả ngẫu nhiờn). Lợi ớch cơ bản của
độ lợi xử lý là gúp phần vào loại bỏ nhiễu khỏi tớn hiệu trải phổ. Độ lợi xử lý càng cao thỡ khả năng loại bỏ nhiễu càng lớn [12]. Đú là lý do tại sao cỏc hệ thống trải phổ cần độ lợi xử lý càng cao càng tốt [15].
Mỏy thu tương quan tớn hiệu thu với một bản sao mó trải phổ được tạo ra
đồng bộđể khụi phục tớn hiệu mang thụng tin ban đầu. Nghĩa là mỏy thu phải biết
được mó đó được sử dụng để điều chế dữ liệu. Do việc mó húa và băng tần phỏt
được mở rộng, tớn hiệu trải phổ cú một số thuộc tớnh khỏc với cỏc thuộc tớnh của tớn hiệu băng hẹp. Một số tớnh chất quan trọng trong hệ thống trải phổ gồm cú: - Khả năng đa truy nhập - Bảo vệ chống nhiễu đa đường - Tớnh riờng tư và bảo mật - Loại bỏ nhiễu - Mật độ phổ cụng suất thấp - Khả năng truy cập ngẫu nhiờn 3.1.2 Phõn loại hệ thống CDMA Hệ thống CDMA được phõn thành một số kiểu như trờn hỡnh 3.1. Việc phõn loại cỏc hệ thống CDMA dựa trờn tiờu chớ về kỹ thuật điều chế để tạo ra tớn hiệu trải phổ.
CDMA
CDMA thuần túy CDMA lai ghép
DS FH TH Băng rộng Băng hẹp Nhảy tần nhanh Nhảy tần chậm DS/FH DS/TH FH/TH DS/FH/TH TDMA/CDMA MC-CDMA MT-CDMA Hỡnh 3.1 Phõn loại hệ thống CDMA
Theo sự phõn loại này sẽ cú một số kỹ thuật điều chế để tạo ra tớn hiệu trải phổ. Dưới đõy đề cập ngắn gọn một số kỹ thuật quan trọng thường hay được sử dụng.
- Trải phổ chuỗi trực tiếp: Tớn hiệu mang thụng tin được nhõn trực tiếp với tớn hiệu mó tốc độ chip cao.
- Trải phổ nhảy tần: Tần số súng mang dựng để mang tớn hiệu thụng tin phỏt
đi được thay đổi nhanh theo tớn hiệu mó.
- Trải phổ nhảy thời gian: Tớn hiệu mang thụng tin khụng được phỏt liờn tục. Thay vào đú tớn hiệu được phỏt theo cỏc cụm ngắn trong khoảng thời gian cho phộp do tớn hiệu mó quyết định.
- Điều chế lai ghộp: Hai hoặc nhiều kỹ thuật điều chế trải phổđược đề cập ở
trờn cú thể sử dụng với nhau để kết hợp cỏc ưu điểm và loại bỏ nhược điểm của chỳng. Hơn nữa, cú thể kết hợp CDMA với một vài phương phỏp đa truy nhập khỏc: TDMA, đa súng mang (MC), hoặc điều chế đa õm (MT). Trong trường hợp của MC-CDMA, trải phổđược thực hiện trờn trục tần số, nhưng đối với MT-CDMA thỡ trải phổ được thực hiện theo trục thời gian. Chỳ ý rằng, MC-CDMA và MT- CDMA dựa trờn kỹ thuật ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao (OFDM) [19].
3.2 HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP DS-CDMA 3.2.1 Mó PN
Như trờn đó đề cập, trải phổ chuỗi trực tiếp là một kỹ thuật trải phổ phổ biến nhất. Tớn hiệu trải phổđược nhõn với mó tạp õm giả ngẫu nhiờn (PN).
Mó PN là một chuỗi cỏc chip cú giỏ trị -1 và 1 (lưỡng cực) hoặc 0 và 1 (đơn cực). Số lượng chip trong một mó được gọi là chu kỳ mó.
Để cú thể sử dụng cho trải phổ chuỗi trực tiếp, mó PN phải thoải món một số
ràng buộc sau:
- Chuỗi mó phải được xõy dựng từ cỏc số 2 mức logic.
- Mó phải cú giỏ trị tương quan chộo thấp, sự tương quan chộo càng thấp thỡ hệ thống càng cú nhiều người sử dụng. Sự tương quan này phải thể hiện cho cả
tương quan toàn bộ mó và tương quan từng mó. Tương quan chộo từng mó để đảm bảo trong mọi trường hợp sẽ khụng cú tương quan toàn chu kỳ của hai mó.
- Mó đảm bảo sự cõn bằng: sự khỏc nhau về số lượng giữa cỏc ký hiệu 1 và 0 nhiều nhất chỉ là 1 để nhằm mục đớch cho cỏc thuộc tớnh mật độ phổ tốt, tức là năng lượng phổđược trải đều trờn toàn bộ băng tần số.
Cỏc hệ thống DS thực tế sử dụng mó Walsh-Hadamard, chuỗi M, Gold và Kasami dựng làm mó giả ngẫu nhiờn PN. Trong đú mó Walsh là mó trực giao và cỏc mó cũn lại là mó khụng trực giao.
Việc tạo mó PN tương đối đơn giản, với một số thanh ghi dịch là cú thể tạo ra được tất cả cỏc mó yờu cầu. Chớnh vỡ thế mà trong hệ thống chuỗi trực tiếp cú thể
tạo được độ lợi xử lý rất lớn. Trong hệ thống chuỗi trực tiếp độ dài của mó bằng với hệ số trải phổ hay độ lợi xử lý [21].
3.2.2 Nguyờn lý hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
Hỡnh 3.2 trỡnh bày hệ thống DS/SS cơ bản cho cả phớa phỏt và phớa thu.
Tín hiệu dữ liệu số Điều chế Điều chế Sóng mang Bộ tạo mã trải phổ Bên phát Kênh Giải điều chế Đồng bộ mã Bộ tạo mãtrải phổ Sóng mang Đầu ra Bên thu Hỡnh 3.2 Sơ đồ hệ thống DS/SS
Đầu tiờn mó PN được điều chế vào tớn hiệu dữ liệu, sử dụng một số kỹ thuật
điều chế như BPSK, QPSK... Sau đú tớn hiệu dữ liệu đó được điều chế và súng mang RF được nhõn với nhau. Quỏ trỡnh xử lý này thay thế tớn hiệu RF bằng một tớn hiệu băng tần rất rộng với sự cõn bằng về phổ tớn hiệu tạp õm. Khi thu tớn hiệu, bờn
thu khụng chỉ biết chuỗi mó để giải trải phổ tớn hiệu mà cũn cần cú sự đồng bộ với bộ tạo mó ở bờn phỏt.
Tớn hiệu dữ liệu được nhõn với chuỗi mó PN trong miền thời gian sẽ cho ra một tớn hiệu với phổ tần số giống với phổ tần số của tớn hiệu mó PN (bởi vỡ khoảng thời gian một chip Tc của mó PN nhỏ hơn khoảng thời gian một ký hiệu T trong tớn hiệu dữ liệu). Hơn nữa, việc tăng tốc độ dữ liệu từ R (mức ký hiệu) lờn Rc (mức chip) làm giảm phổ biờn độ (từ T xuống Tc) và mở rộng miền tần số của tớn hiệu. Bởi vỡ băng tần rộng của mó PN cho phộp giảm phổ biờn độ của tạp õm (khụng làm mất thụng tin), tớn hiệu tỏi tạo xuất hiện dưới mức tạp õm nền trong miền tần số. Theo khớa cạnh khỏc, băng tần tớn hiệu dữ liệu được trải phổ theo hệ số N=T/Tc, tương ứng với độ lợi xử lý trong hệ thống DS/SS. Trong kiểu hệ thống này, độ dài mó là như nhau đối với cựng độ lợi xử lý. Hỡnh 3.3 và 3.4 minh họa về khỏi niệm trải phổđối với tớn hiệu của hệ thống DS/SS theo miền thời gian và miền tần số. Tc T Tín hiệu dữ liệu b(t) Mã PN c(t) b(t)c(t) Sóng mang Hỡnh 3.3 Tớn hiệu trong miền thời gian tại bờn phỏt của hệ thống DS/SS Phần trờn đó đề cập một số thuộc tớnh ưu việt của hệ thống trải phổ. Xột trờn hệ thống CDMA, cỏc thuộc tớnh quan trọng nhất là: khả năng đa truy nhập, loại bỏ
nhiễu đa đường, loại bỏ nhiễu băng hẹp và khả năng bảo mật. Đối với hệ thống trải phổ trực tiếp DS-CDMA cỏc thuộc tớnh quan trọng trờn được thể hiện như sau:
- Đa truy nhập: Nếu nhiều người dựng sử dụng một kờnh chung tại cựng một thời điểm thỡ sẽ cú nhiều tớn hiệu DS chồng lấn về thời gian và tần số. Tại mỏy thu, giải điều chế nhất quỏn (coherent) được sử dụng để loại bỏ điều chế mó. Sự hoạt
động này tập trung vào cụng suất của người dựng mong muốn trong băng tần thụng tin. Nếu tương quan chộo giữa cỏc mó của người dựng mong muốn và mó của người dựng gõy nhiễu là nhỏ thỡ tỏch súng nhất quỏn sẽ đưa một phần nhỏ cụng suất tớn hiệu gõy nhiễu vào trong băng tần thụng tin.
Máy phát Máy thu DS Bộ lọc
Biê n đ ộ Tần số Tạp âm và nhiễu đ−ợc trải phổ Tín hiệu mong muốn Tần số Bi ê n đ ộ Tín hiệu dữ liệu Nhiễu B iên độ Tần số Nhiễu Tín hiệu mong muốn Tạp âm Hỡnh 3.4 Tớn hiệu trong miền tần số tại bờn thu của hệ thống DS/SS
- Nhiễu đa đường: Nếu chuỗi mó cú một hàm tự tương quan lý tưởng thỡ hàm tương quan bằng khụng bờn ngoài khoảng [-Tc, Tc], trong đú Tc là khoảng thời gian chip. Điều này cú nghĩa rằng nếu tớn hiệu mong muốn và tớn hiệu bản sao của nú mà trễ lớn hơn 2Tcđược thu thỡ giải điều chế nhất quỏn sẽ coi tớn hiệu trễ là một tớn hiệu nhiễu, nờn chỉđưa một phần nhỏ cụng suất của tớn hiệu này vào băng tần thụng tin.
- Nhiễu băng hẹp: Tỏch súng nhất quỏn tại mỏy thu thực hiện nhõn tớn hiệu thu với chuỗi mó. Tuy nhiờn, tại mỏy phỏt, nhõn tớn hiệu băng hẹp với chuỗi mó băng rộng để trải phổ tớn hiệu băng hẹn làm cho cụng suất của nú trờn băng tần thụng tin giảm xuống theo hệ số bằng với độ lợi xử lý.
- Khả năng bảo mật: Tớn hiệu DS sử dụng toàn bộ phổ tớn hiệu tại tất cả cỏc thời điểm, nú sẽ cú cụng suất phỏt trờn 1 đơn vị Hz rất thấp. Điều này sẽ gõy rất khú khăn để tỏch súng DS [12].
Từ cỏc thuộc tớnh trờn, giao thức DS-CDMA cú một số thuộc tớnh đặc biệt vừa là ưu điểm vừa là nhược điểm như sau: - Ưu điểm: + Tạo tớn hiệu mó đơn giản, chỉ bằng phộp toỏn nhõn; + Do chỉ cú một tần số súng mang nờn bộ tổng hợp tần số (bộ tạo súng mang) đơn giản; + Thực hiện được giải điều chế nhất quỏn của tớn hiệu trải phổ; + Khụng cần đồng bộ giữa cỏc người dựng. - Nhược điểm: + Khú khăn khi thực hiện bắt và duy trỡ đồng bộ của tớn hiệu mó nội bộ và tớn hiệu thu. Đồng bộ phải được thực hiện trong khoảng một phần thời gian của một khoảng chip.
+ Để thu chớnh xỏc, chuỗi mó nội bộ và chuỗi mó thu được phải đồng bộ
trong khoảng một phần thời gian của một khoảng chip. Thuộc tớnh này kết hợp với
độ khả dụng của băng tần số bờn cạnh làm giới hạn băng tần trải phổ xuống cũn 10 - 20 MHz.
+ Cụng suất thu từ người dựng gần trạm gốc cao hơn so với người dựng xa trạm gốc. Bởi vỡ người dựng phỏt liờn tục trờn toàn bộ băng tần, người dựng gần trạm gốc sẽ tạo ra nhiễu đỏng kể cho người dựng cỏch xa trạm gốc, làm cho việc thu tớn hiệu khú khăn. Hiệu ứng gần - xa cú thể được loại bỏ nếu sử dụng thuật toỏn
điều khiển cụng suất mà tớn hiệu của tất cả người dựng mà trạm gốc cú thể thu được với cựng một mức cụng suất trung bỡnh. Tuy nhiờn, cơ chế điều khiển này, gọi là
điều khiển cụng suất, được thực hiện rất khú khăn [10].
3.2.3 Cỏc phần từ DS-CDMA cơ bản
Trong phần này, chỳng ta đề cập đến cỏc phần tử cơ bản để hiểu rừ hệ thống DS-CDMA và cỏc ứng dụng của nú, bao gồm: mỏy thu RAKE, điều khiển cụng suất, chuyển giao mềm, chuyển giao liờn tần số, và tỏch súng nhiều người dựng.
(1) Mỏy thu RAKE
Dạng súng tớn hiệu trải phổ thớch hợp cho kờnh đa đường. Trờn kờnh đa
đường, tớn hiệu phỏt ban đầu phản xạ từ cỏc vật cản như tũa nhà, đồi nỳi, và mỏy thu nhận được một vài bản sao của tớn hiệu này với độ trễ khỏc nhau. Nếu trễ lớn hơn một chip thỡ mỏy thu cú thể xử lý được. Thực ra, từ quan điểm trờn một tớn hiệu
đa đường, cỏc tớn hiệu đa đường khỏc cú thểđược coi là nhiễu và chỳng bị khử bởi
độ lợi phõn tập. Tuy nhiờn, lợi ớch đạt được nhiều hơn nếu cỏc tớn hiệu đa đường đó xử lý được tổ hợp lại bằng việc sử dụng mỏy thu RAKE. Vỡ vậy, dạng súng tớn hiệu của tớn hiệu CDMA thuận tiện sử dụng cho phõn tập đa đường.
Hỡnh 3.5 minh họa nguyờn lý của mỏy thu RAKE.
Bộ tạo mã Bộ điều chế Dữ liệu nhị phân Bộ giải điều chế
Kênh đa đ−ờng Máy thu RAKE
a3 a2 a1 τ τ τ c(t−τ1) c(t−τ2) c(t−τ3) a1 a2 a3
Hỡnh 3.5 Nguyờn lý mỏy thu RAKE
Mỏy thu RAKE gồm nhiều bộ tương quan, mỗi bộ thu một tớn hiệu đa
đường. Sau khi giải trải phổ bởi bộ tương quan, tớn hiệu được tổ hợp lại. Bởi vỡ tớn hiệu đa đường thu được độc lập pha đinh, thứ tự phõn tập và như vậy hiệu năng
được cải thiện.
(2) Điều khiển cụng suất
Trờn đường lờn của hệ thống DS-CDMA, yờu cầu kỹ thuật cho điều khiển cụng suất đũi hỏi rất cao. Vấn đề điều khiển cụng suất được đặt ra bởi vỡ nhiễu đa truy nhập hay hiện tượng gần-xa. Đểđạt được dung năng lớn, tất cả tớn hiệu, khụng phụ thuộc vào khoảng cỏch, đến trạm gốc phải cựng một mức cụng suất trung bỡnh. Giải phỏp cho vấn đề này là điều khiển cụng suất để cố gắng đạt một mức cụng suất trung bỡnh thu được khụng đổi đối với mỗi người dựng. Hơn nữa, hiệu năng của
điều khiển cụng suất mỏy phỏt (TPC) là một trong cỏc nhõn tố độc lập khi quyết
định dung năng hệ thống DS-CDMA.
Ngược lại với đường lờn, ở đường xuống tất cả tớn hiệu truyền lan trờn cựng một kờnh và do đú được thu bởi một trạm di động với cụng suất bằng nhau. Hơn nữa, khụng yờu cầu điều khiển cụng suất để loại bỏ hiệu ứng gần-xa. Tuy nhiờn,
điều khiển cụng suất được yờu cầu để giảm thiểu nhiễu cho cỏc ụ khỏc và bự trừ
chống lại nhiễu từ cỏc ụ khỏc.
Ngoài việc chống lại nhiễu do người dựng gõy ra, điều khiển cụng suất cũn cải thiện hiệu năng của hệ thống DS-CDMA chống lại kờnh pha đinh bằng cỏch bự trừ mức pha đinh. Nếu nú đi theo một kờnh pha đinh hoàn hảo thỡ điều khiển cụng suất điều chỉnh kờnh pha đinh thành kờnh AWGN bằng việc loại hoàn toàn cỏc mức pha đinh.
Cú hai nguyờn tắc điều khiển cụng suất: điều khiển cụng suất vũng hở và
điều khiển cụng suất vũng kớn. Điều khiển cụng suất vũng hở đo mức nhiễu từ kờnh và điều chỉnh cụng suất phỏt cho phự hợp. Tuy nhiờn, do pha đinh phẳng khụng