Đề tài CDMA 2000

Lời nói đầu Trong quá trình phát triển, để góp phần thúc đẩy công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá nước Việt Nam hiện nay, việc phát triển hệ thống viễn thông là một trong những mục tiêu then chốt mà Đảng và Nhà nước ta đang quan tâm. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử tin học, quang học, công nghệ viễn thông đã và đang mang đến cho con người những ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực như: kinh tế, giáo dục, văn hoá, y học… Các quốc gia đều coi viễn thông – tin học là một trong những ngành mũi nhọn và đầu tư thích đáng để có được những thành tựu, những vị trí xứng đáng trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bảy để kích thích sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân khác. Đây là yếu tố quan trọng để thúc đẩy nền kinh tế phát triển và góp phần nâng cao đời sống xã hội. Ngày nay thông tin di động đang phát triển mạnh mẽ. Nó ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Trong đó công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA và kỹ thuật vô tuyến số phát triển nhanh nhất, có số lượng thuê bao tăng mạnh vào giữa những năm 1997 và 1998. Thị trường chính của CDMA là Bắc Mỹ, Mỹ La Tinh và Chấu á (đặc biệt làNhật Bản và Hàn Quốc). CDMA đã và đang được triển khai ở gần 50 nước trên thế giới. Hiện nay công nghệ CDMA đã bắt đầu được ứng dụng trong mạng viễn thông Việt Nam. CDMA là một kỹ thuật vô tuyến số tiên tiếng và có thể đạt được dung lượng gấp 7 đến 10 kỹ thuật tương tự và gấp tới 6 lần dung lượng của các kỹ thuật số khác như đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Công nghệ CDMA có nhiều ưu điểm hơn FDMA và TDMA như chống nhiễu gần xa, tái sử dụng tần số để tránh cán nhiễu lẫn nhau, khả năng bảo mật cao, chất lượng tiếng nói được cung cấp bởi hệ thống CDMA cao hơn nhiều so với các kỹ thuật tế bào khác, đặc biệt trong môi trường nhiễu truyền tin khó khăn như những vùng đô thị có dân cư đông đúc hay các vùng núi. Công nghệ CDMA đang phát triển không ngừng để mang lại cho khách hàng các dịch vụ mới ngày càng thuận tiện hơn và đã được ITU lựa chọn là giải pháp cho thông tin di động thế hệ thứ 3. Một trong số đó là tiêu chuẩn CDMA 2000. CDMA 2000 sử dụng một giao diện vô tuyến dựa trên chuẩn IS-95B hiện có để cung cấp các dịch vụ số liệu tốc độ cao và dịch vụ thoại chất lượng hữu tuyến trong dải từ 144kbps đối với máy di động, đến 2mbps đối với máy để bàn. Điều đó cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Chương I Tổng quan về công nghệ CDMA 1.1. Sự phát triển của công nghệ CDMA trong Thông tin di động. Thông tin di động ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Tiếp theo là thế hệ thứ hai và hiện nay là thế hệ thứ ba đang được chuẩn bị đưa vào hoạt động. Thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA). Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8 – 13kbps. Trong vòng chưa đầy mười năm, thuê bao di động thế bào đã lên tới con số hàng trăm triệu trên khắp thế giới đặc biệt là tại Bắc Mỹ, châu Âu và châu á. Tuy vậy sự phát triển mạnh mẽ này mới chỉ là sự khởi đầu của quá trình cách mạng hoá các dịch vụ viễn thông đã tiến tới tiếp cận với từng cá nhân hơn là tiếp cận với từng hộ gia đình, điều hành có nghĩa là thông tin di động đang từng bước trở thành không thể thiếu đối với mỗi người không như trước kia nó chỉ giành cho mục đích quân sự hay cho giới thượng lưu trong vài năm trước. Để đáp ứng nhu cầu to lớn cho loại hình viễn thông mới này, một giải pháp kỹ thuật số đã ra đời trong thập kỷ 90. Tuy nhiên các giải pháp kỹ thuật này mới được nhìn nhận như các giải pháp tạm thời nhằm giải quyết các vấn đề cụ thể trong khi thế giới chờ đợi sự ra đời của một giải pháp toàn diện đáp ứng nhu cầu thông tin trong thế kỷ 21, đó là mạng viễn thông để truyền thông giữa con người mọi lúc, mọi nơi. Người ta ước tính rằng tốc độ tăng trưởng trong lĩnh vực này trên thế giới đạt khoảng 20% mỗi năm, điều này cho thấy ưu thế của công nghệ CDMA so với các công nghệ di động khác và việc ứng dụng phát triển nó trong thế kỷ 21 trên toàn thế giới là xu thế tất yếu. 1.2. Công nghệ CDMA 1.2.1. Tổng quan về CDMA: CDMA là phương thức điều chế mã đa truy cập dựa trên nền tảng thông tin trải phổ. Công nghệ này hiện đang được áp dụng cho thông tin di động và trong công nghệ WLL. Việc tiếp cận công nghệ CDMA sẽ giải quyết và đề dung lượng và đáp ứng được yêu cầu của nền công nghệ về tính kinh tế, hiệu quả và độ tin cậy. Trong kỹ thuật FDMA, mỗi người sử dụng được phát một cặp tần số để truyền tin. Dải tần cần thiết cho một người sử dụng là 30kHz. Như vậy các quá trình trao đổi thông tin được phân cách bằng nhau bằng tần số. Hiệu suất sử dụng tần số trong FDMA được quyết định bởi hiệu suất phổ điều chế (số bit thông tin trên 1 Hz băng tần) và hệ số sử dụng lại tần số. Trong thông tin di động, vùng hưởng của nhiễu, các ô lân cận nhau không thể sử dụng tần số giống nhau. Do đó một trong các vấn đề quan trọng nhất trong thông tin di động FDMA là quy hoạch ô và sử dụng lại tần số. Trong kỹ thuật TDMA, mỗi người sử dụng được phân bổ một khe thời gian trong một tần số để truyền tin. Nhưng do có nhiều người sử dụng cùng một tần số nên dải tần thông tin cũng phải tăng tương ứng. Theo chuẩn GSM, dải tần cho một tần số mang hiện nay là 200kHz. Đồng thời TDMA cũng phải giải quyết vấn đề về quy hoạch ô và sử dụng lại tần số. ở hệ thống CDMA, mỗi người sử dụng được cấp phát một mã giải ngẫu nhiên duy nhất. Các mã này được phân phối đến các đầu cuối thuê bao và trạm gốc. Đồng thời, tất cả người sử dụng đều dùng chung một dải phổ. Với việc sử dụng mã giải ngẫu nhiên để điều chế, phổ thông tin được trải rộng thành toàn bộ băng tần RF của hệ thống. Do đặc tính của mã trải phổ nên các trạm gốc không cần thiết phải có tần số khác nhau, vì vậy sẽ giảm nhẹ được việc quy hoạch ô. Mặc khác, nhờ sử dụng cùng một băng tần cho các trạm gốc nên ở CDMA có thể thực hiện chuyển giao mềm đảm bảo không gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao. 1.2.2. Các hệ thống CDMA: Có một số phương pháp điều chế trong công nghệ CDMA đang được nghiên cứu và sử dụng. Mỗi phương pháp điều chế hiện này là CDMA trải phổ trực tiếp. Phương pháp này đã được ứng dụng rất thành công trong các mạng di động thế hệ thứ 2 sử dụng công nghệ CDMA.Đây cũng sẽ là phương pháp điều chê được nhiều nhà sản xuất hỗ trợ nhất trong việc phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 3. Hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp DS-CDMA Trong hệ thống DS-CDMA, mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ, mã này là một tín hiệu được tạo ra bằng cách điều chế tuyến tính với một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ cao. Tín hiệu điều chế ban đầu được nhân với mã trải phổ này để tạo ra một chuỗi tín hiệu có tốc độ cao hơn rất nhiều so với tốc độ ban đầu, và do đó phổ của tín hiệu cũng rộng ra tương ứng. Có nhiều phương pháp điều chế mã được sử dụng cho cả diều chế dữ liệu và điều chế trải phổ, tuy nhiên người ta hay sử dụng BPSK cho điều chế dữ liệu và QPSK cho điều chế giải phổ. ở đây ta lấy một ví dụ đơn giản nhất là điều chế BPSK, ta có sơ đồ điều chế như sau: Anten phát Đổi tần lên (U/C) Modul-2 Sum Bộ điều chế PSK Tốc độ fb PA Tốc độ chip fc>>fb, Rc = 1/fc Bộ tổng hợp tần số vô tuyến Sóng mang trung tần Acoswit Phát mã PN Clock fc Hình 1.1: Phát theo kỹ thuật trải phổ dẫy trực tiếp Tín hiệu băng gốc đầu ra Anten phát Bộ lọc thông dải Bộ lọc dải Giải điều chế BPSK Bộ tổng hợp tần số vô tuyến Mã PN nén phổ Hình 1.2: Thu theo kỹ thuật trải phổ dẫy trực tiếp Tín hiệu DSSS BPSK được cho bởi Trong đó: là tín hiệu điều chế BPSK và d(t) là tín hiệu băng gốc được điều chế số, wc là tần số mang trung tần. c(t): Tín hiệu trải phổ, S: Là công suất của tín hiệu Tín hiệu s(t) có độ rộng phổ băng 1/T, trong đó T là chu kỳ tín hiệu băng cơ bản. Trong khi đó, tín hiệu SS x(t) có dạng phổ giống nhau nhưng bị trải rộng ra xấp xỉ 1/Tc, trong đó Tc là chu kỳ của tín hiệu trải phổ (hay tín hiệu mã). Tại phía thu, để nén phổ tín hiệu, người ta dùng bộ tách sóng nhất quán sử dụng một chuỗi mã trải phổ được tạo ra ở phía thu. Để thực hiện được việc nén phổ tín hiệu, đầu thu không chỉ cần biết chuỗi trải phổ mà còn cần thiết phải đồng bộ mã của tín hiệu thu được với chuỗi mã tạo ra nói trên. Việc đồng bộ này cần được thực hiện đầu của quá trình thu và duy trì cho tới khi toàn bộ tín hiệu đã được thu. Chức năng đồng bộ này được thực hiện ở khối synchronization/tracking. Tín hiệu ban đầu được khôi phục sau khi nén phổ và giải điều chế. Tín hiệu tại bộ thu được cho bởi. Bộ thu nhân tín hiệu này với chuỗi giả ngẫu nhiên PN: Trong đó: c(t)I(t): Là can nhiễu, đầu ra của bộ tách sóng BPSK được cho bởi. Eb: Là năng lượng bit và n là thành phần tạp âm tương đương, d là bit dữ liệu trong thời gian T. Hệ thống trải phổ trực tiếp có một số đặc điểm quan trọng sau: * Đa truy cập: trong một giải tần số và thời gian có thể có nhiều người sử dụng cùng một lúc. Tại phía thu, bộ giải điều chế nhất quán (coherent) được sử dụng để tách tín hiệu trở lại dạng ban đầu. Việc giải điều chế sẽ tập trung năng lượng của tín hiệu trong dải tần thông tin . Nếu tương quan chéo giữa mã của tín hiệu cần thu và các tín hiệu nhiễu từ các nguồn sử dụng khác là rất nhỏ thì việc giải điều chế nhất quán sẽ chỉ cộng một phần công suất nhiễu rất nhỏ vào phần dải tần thông tin. * Nhiễu đa đường: Nếu chuõi mã có đặc tính tương tự tương quan lý tưởng, hàm tự tương quan sẽ có giá trị 0 trong ngoài khoảng (Tc, Tc) với Tc là khoảng thời gian của một chip, điều này có nghĩa là nếu ta nhận được tín hiệu cần thu và một tín hiệu đa đường tương ứng có độ trễ lớn hơn 2Tc, bộ giải điều chế nhất quán sẽ coi tín hiệu trễ như một tín hiệu nhiễu, chỉ tác động một phần công suất rất nhỏ lên dải tần thông tin. * Nhiễu băng hẹp: Quá trình tách sang nhất quán tại đầu thu bao gồm việc nhân tín hiệu thu được với chuỗi mã giả ngẫu nhiên tạo ra ở phía thu. Tuy nhiên, nhờ việc nhân này mà phổ của thành phần nhiễu băng hẹp bị trải rộng ra nên phần công suất của nó trong dải tần thông tin sẽ được giảm đi một giá trị tỷ lệ với tăng ích xử lý. * Khả năng nghe trộm thấp: Do tín hiệu được trải phổ trực tiếp sư dụng toàn bộ dải tần số tín hiệu ở mọi khoảng thời gian nên công suất phát trên một Hz tần số là rất nhỏ. Do đó rất khó có thể dò tìm được tín hiệu trải phổ trực tiếp. Bên cạnh các đặc điểm trên, hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp còn có một số ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: * Việc tạo ra tín hiệu mã được thực hiện dễ dàng thông qua phép nhân tín hiệu thông thường. * Do chỉ cần một tần số mang nên bộ tạo sang mang sẽ có cấu tạo rất đơn giản. * Có thể thực hiện giải điều chế nhất quán. Nhược điểm; * Khó tạo tập và duy trì đồng bộ giữa tín hiệu thu và chuỗi mã trải phổ dùng để giải điều chế. Việc đồng bộ phải được duy trì trong khoảng thời gian một của chip, đồng thời độ loch đồng bộ phải rất nhỏ. * Việc tạo mỗi chuỗi tín hiệu có tính liên tục lớn rất khó khăn nên dải tần tín hiệu trong thực tế chỉ giới hạn ở mức 1020MHz. * Do công suất phát của những người ở gần trạm gốc lớn hơn rất nhiều do với công suất phát của những người sử dụng ở xa trạm gốc, gây ra nhiễu đối với những người sử dụng ở xa. Vấn đề gần – xa này có thể giải quyết bằng việc sử dụng thuật toán điều khiển công suất của trạm gốc và máy di động. Hệ thống CDMA trải phổ nhẩy tần FH-CDMA. Trong hệ thống trải phổ nhẩy tần FH-CDMA, tần số mang của tín hiệu điều chế được thay đổi theo chu kỳ. Sau một khoảng thời gian, tần số mang lại nhẩy sang một tần số khác. Dạng nhảy tần được quyết định bởi tín hiệu mã, tập hợp các tần số mà sang mang có thể nhẩy tới được gọi là tập nhẩy tần. Việc chiếm dụng tần số của hệ thống trải phổ nhẩy tần (FHSS) rất khác so với hệ thống trải phổ trực tiếp (DSSS). Hệ thống DSSS sẽ chiếm toàn bộ dải tần số khi phát. Còn hệ thống FH-SS chỉ sử dụng một phần nhỏ dải tần khi phát, nhưng vị trí của phần dải tần bị chiếm trong toàn bộ dải tần sẽ thay đổi theo thời gian. Hình vẽ mô tả sơ đồ thu phát hệ thống trải phổ nhẩy tần. Tại phí thu, dữ liệu được điều chế băng gốc, sau đó được điều chế lên tần số phát. Tần số của bộ điều chế phụ thuộc vào tính iệu điều khiển từ bộ tạo mã. Tại phí thu, tín hiệu thu được giải điều chế xuống tần số thấp. Tần số giải điều chế cũng do bộ tạo mã quyết định. Khối sync-tracking làm nhiệm vụ đồng bộ dạng nhảy tần giữa phía thu với phía phát để đảm bảo thu được tín hiệu mong muốn. Bộ điều chế số GMSK, GFSK, QPSK, FQPSK Bộ phát mã PN Bộ tổng hợp tần số PA Tốc độ chip fc Tin tức băng gốc d(t) Tốc độ bit nguồn fb fIF f1, f2,… fn Bộ lọc dải BPF Bộ lọc dải IF BPF Bộ tổng hợp tần số vô tuyến Bộ phát mã PN Giải điều chế LNA Dữ liệu ra Hình 13: Sơ đồ khối thu phát theo kỹ thuật trải phổ nhẩy tần frequency f 0 Tc 2Tc fn fn-1 f2 f1 Hình 1.4: Trải phổ nhẩy tần. Có hai phương pháp nhảy tần được phân loại dựa trên tốc độ nhẩy tần của sóng mạng. Phương pháp nhảy tần nhanh (F-FH): Với tốc độ nhảy tần lớn hơn nhiều so với tốc độ symbol, đối với phương pháp này, tần số sóng mang sẽ thay đổi nhiều lần trong quá trình truyền một symbol, vì vậy một bit được phát đi trên nhiều tần số khác nhau. Phương pháp nhẩy tần chậm (S-FH): Với tốc độ nhảy tần nhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol. Tức là nhiều symbol được truyền đi trong một bước tần số. Dải tần phát trong phương pháp nhảy tần không chỉ phụ thuộc vào dải tần tín hiệu mang tin mà còn phụ thuộc vào dạng tín hiệu nhảy tần và tần số nhảy tần. Nếu tần số nhảy tần nhỏ hơn nhiều so với dải tần tín hiệu mang tin (nhảy tần chậm), thì dải tần của tín hiệu mang tin sẽ là nhân tố quyết định tới dải tần phát, nhưng nếu tần số nhảy tần lớn hơn nhiều so với dải tần tín hiệu phát trong từng bước nhảy. Nếu dạng xung này thay đổi đột ngột (dẫn tới sự thay đổi tần số nhanh chóng) thì dải tần phát sẽ rất lớn. Nếu dạng xung này thay đổi chậm, dải tần số mỗi bước nhảy sẽ vào khoảng 1/Th lần dải tần phát, với Th là tần số nhảy. Ta có thể làm cho sự thay đổi tần số diễn ra chậm bằng cách giảm tần số phát trước khi có nhảy tần và tăng lại tần số phát sau khi nhảy tần. Hệ thống FH-CDMA có các đặc điểm chung sau của hệ thống trải phổ. * Đa truy cập: Đối với nhảy tần nhanh. Một symbol được phát đi trên nhiều tần số. Nếu hầu hết các dải tần được cấp phát cho một người sử dụng, công suất thu được tín hiệu mong muốn sẽ lớn hơn nhiều so với công suất nhiễu và do ta sẽ thu được dtín hiệu mong muốn. Đối với nhẩy tần chậm, nhiều symbol được phát trên cùng một tần số. Nếu công suất để những người sử dụng khác đủ nhỏ, tín hiệu từ người sử dụng mong muốn được thu một cách chính xác. Nếu trong khoảng thời gian nào đó có nhiều người sử dụng mong muốn được thu một cách chính xác nếu trong khoảng thời gian nào đó có nhiều người sử dụng phát trên cùng một tần số, ta có thể sử dụng mã chữa lỗi để khôi phục tín hiệu. * Nhiễu đa đường: Trong hệ thống CDMa nhẩy tần nhanh, tần số sóng mang thay đổi nhiều lần trong quá trình truyền một symbol, vì vậy tần số tín hiệu sẽ được điều chế và phát trên một tần số sóng mang. Hiệu ứng đa đường sẽ khác nhau đối với tần số mang khác nhau. Vì vậy, các tần số tín hiệu nếu được khuyếch đại ở một tần số nào đó sẽ bị suy hao ở một tần số mang khác. Tại phí thu, đáp ứng tại tần số nhảy tần khác nhau được trung bình hoá, vì vậy sẽ làm giảm nhiễu đa đường. * Nhiễu băng hẹp: Giả sử có một tín hiệu băng hẹp gây nhiễu tên một trong các tần số nhảy tần. Nếu có GP tần số nhảy (với GP là tang ích xử lý), tín hiệu chỉ bị nhiễu trong khoảng 1/Gp phần trăm thời gian phát. Như vậy nhiễu đã bị giảm đi GP lần. * Khả năng nghe trộm thấp: Khó khăn trong việc nghe trộm tín hiệu nhảy tần không phải do công suất phát thấp. Trong quá trình phát, hệ thống sử dụng mức công suất trên Hz lớn hơn nhiều so với truyền dẫn liên tục. Nhưng tần số phát của tín hiệu không được biết trước đối với đối tượng nghe trộm và khoảng thời gian phát tại một tần số rất nhỏ. Vì vậy, khó có thể nghe trộm trên kênh vô tuyến. Bên cạnh các đặc điểm trên, hệ thống trải phổ nhảy tần còn có một số ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm: Việc đồng bộ trong FH-CDMA dễ hơn nhiều so với DS-CDMA. Đối với FH-CDMA, việc đồng bộ phải thực hiện trong một phần thời gian của một bước nhảy tần. Tuy nhiên vì kỹ thuật nhảy tần không cần phải có tần số nhảy lớn mà chỉ cần có một tập nhảy tần lớn nên thời gian cho một bước nhảy sẽ lâu hơn nhiều so với thời gian của một chip trong DS-CDMA. Vì vậy, hệ thống FH-CDMA cho phép lỗi đồng bộ lớn hơn DS-CDMA. Các dải tần số mà tín hiệu FH có thể chiếm giữ không cần phải liên tục nhau vì bộ tổ hợp tần số có thể nhảy qua một số phần của băng tần. Điều này kết hợp với việc dễ dàng đồng bộ trong cho phép hệ thống có dải tần trải phổ lớn hơn. Xác xuất để nhiều người sử dụng cùng phát trên một dải tần số là rất nhỏ. Trạm gốc có thể thu được tín hiệu từ một người sử dụng ở xa trạm gốc mà không sợ bị nhiễu bởi nhiễu người ở gần. Vì những người này sử dụng các tần số phát khác nhau. Vì vậy không cần quan tâm nhiều đến vấn đề nhiễu gần xa như hệ thống trải phổ trực tiếp. Do hệ thống trải phổ nhảy tần có thể làm việc được ở dải tần trải phổ lớn nên việc chống nhiễu băng hẹp tốt hơn hệ thống trải phổ trực tiếp. Nhược điểm: Bộ tổ hợp tần số sử dụng trong nhảy tần rất phức tạp Việc thay đổi tín hiệu đột ngột khi dải tần tín hiệu thay đổi sẽ dẫn tới dải tần chiếm dụng tăng. Việc giải mã nhất quán sẽ rất khó thực hiện vì không vì không duy trì được mối quan hệ về pha khi tần số thay đổi. Hệ thống CDMA nhảy tần theo thời gian TH-CDMA Trong hệ thống nhảy tần theo thời gian, tín hiệu được phát đi theo các burst tại các khoảng thời gian được quy định bởi mã ngẫu nhiên gán cho người sử dụng. Trục thời gian được phát ở một trong M khe này. Như vậy, mã giả ngẫu nhiên được sử dụng làm đầu vào cho thuật toán chọn khe thời gian phát. Vì người sử dụng phát tất cả dữ liệu trong một khe thời gian trong tổng số M khe thời gian của một khung nên tần số phát cần thiết sẽ tăng lên M lần. Khác với hệ thống FH- CDMa luôn sử dụng một phần của dải phổ, hệ thống TH-CDMA sử dụng toàn bộ dải tần trong một khoảng thời gian ngắn (một khe thời gian). 1 khung Tf Những khe thời gian được truyền (k bits) M= số khe thời gian trong mỗi khung, t = Tf/M t Hình1.5: Trải phổ theo thời gian Bộ nhớ đệm Điều chế dữ liệu Bộ tạo mã Bộ tạo sóng mang Giải điều chế Bộ nhớ đệm Bộ tạo sóng mang Bộ tạo mã Dữ liệu Dữ liệu Hình 1.7: Sơ đồ khối thu phát của hệ thống TH-CDMA Hệ thống TH-CDMA có một số đặc điểm chung sau: - Đa truy cập: Khả năng đa truy cập của tín hiệu TH-SS cũng tương tự như của FH-SS nhưng áp dụng cho miền thời gian. Tức là, trong cùng một khoảng thời gian, xác suất để có hơn một người sử dụng phát tín hiệu đi là rất thấp. Điều này có thể đạt được khi ta gán cho mỗi người sử dụng một mã khác nhau. Nếu có xảy ra nhiều người sử dụng cùng phát một lúc, ta có thể sử dụng các mã sửa lỗi để khôi phục tín hiệu. - Nhiễu đa đường: Trong hệ thống TH-CDMA, tín hiệu được nén theo miền thời gian. Do đó tốc độ truyền tin sẽ tăng lên và gây ra hiện tượng chèn lấn giữa các bit cạnh nhau. Vì vậy hệ thống TH-CDMA không giải quyết tốt được vấn đề nhiễu đa đường. - Nhiễu băng hẹp: Tín hiệu TH-CDMA được nén lại trong miền thời gian, tỷ lệ nén này là 1/Gp (với Gp là tăng ích xử lý). Tại phía thu, tín hiệu chỉ có thể có trong khoảng thời gian thu tín hiệu hữu ích, tương ứng với 1 khe thời gian. Vì vậy tín hiệu nhiễu cũng phải giảm đi chỉ còn 1/Gp phần trăm. - Khả năng nghe trộm thấp: Với TH-CDMA, tần số phát của người sử dụng không đổi nhưng đối tượng nghe trộm không thể xác định quy luật thay đổi khe thời gian phát, đồng thời khoảng thời gian phát lại rất nhỏ. Vì vậy, đối tượng nghe trộm sẽ rất khó có thể xác định được đâu là điểm đầu, đâu là điểm kết thúc của quá trình phát tin và thông tin thuộc về người sử dụng nào. Bên cạnh các đặc điểm trên, hệ thống CDMA nhảy thời gian còn có một số ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: - Việc xây dựng hệ thống dễ dàng hơn so với FH-CDMA - Hệ thống hoạt động tốt với các bộ phát có giới hạn thấp về công suất trung bình nhưng có giới hạn cao về công suất đỉnh và tín hiệu được phát đi theo cá bước ngắn với công suất cao. - Giống như FH-CDMA, vấn đề gần – xa không anh hưởng tới hoạt động của hệ thống vì người sử dụng được phân cách nhau bằng thời gian thu phát. Nhược điểm: - Thời gian cần thiết để đồng bộ mã lớn, nhưng khoảng thời gian để phía thu có thể đồng bộ với phía phát lại ngắn. - Nếu có nhiều người sử dụng cùng phát tín hiệu cùng một lúc sẽ dẫn đến mất mát tín hiệu lớn do hiện tượng chèn tín hiệu giữa các bit lân cận, do đó cần phải sử dụng các mã có khả năng sửa lỗi tốt và phải thực hiện ghép xen tín hiệu. Các hệ thống lai: Người ta có thể kết hợp hai trong ba hoặc cả ba hệ thống trên để xây dựng các hệ thống lai. Bằng việc kết hợp này, ta có thể có bốn hệ thống lại DS/FS, DS/TH, FH/TH… hoặc có thể kết hợp cả CDMA và TDMA hoặc điều chế đa sóng mang để xây dựng các hệ thống CDMA/TDMA hoặc MC/CDMA. Mục đích của việc kết hợp này là để tận dụng các đặc điểm tốt của mỗi hệ thống. Ví dụ hệ thống DS/FH có đặc điểm chống đa đường của hệ thống DS cộng với đặc điểm ít bị ảnh hưởng của hiện tượng gần – xa của hệ thống FH. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống lai là sự phức tạp của bộ thu và bộ phát tín hiệu. Tóm lại, có rất nhiều hệ thống trải phổ sử dụng các công nghệ khác nhau, mỗi hệ thống đều có ưu nhược điểm khi sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Đồ án này tập trung nghiên cứu hệ thống DS- CDMA do hệ thống DS-CDMA được sử dụng rộng rãi trong thông tin di động thế hệ thứ hai và đây cũng là ứng cử viên sáng giá nhất cho thông tin di động thế hệ thứ ba. 1.2.3. Các phần tử cơ bản trong hệ thống CDMA: * Bộ thu đa đường (Rake reciever) Tín hiệu phát đi luôn bị phản xạ bởi các vật cản như các toà nhà cao tầng, núi đồi… do đó từ một tín hiệu phát ban đầu bộ thu sẽ nhận được một số tín hiệu bị trễ các khoảng thời gian khác nhau. Nếu các tín hiệu có độ trễ cách nhau một khoảng thời gian lớn hơn một chip, bộ thu có thể loại bỉ tín hiệu trễ để thu được tín hiệu cần thiết. Nếu ta coi một tín hiệu đa đường là tín hiệu mang tin thì các tín hiệu đa đường còn lại có thể coi là các thành nhiễu và được nén nhờ tăng ích xử lý. Tuy nhiên hệ thống CDMA tận dụng các tín hiệu đa đường này bằng cách kết hợp chúng lại để cải thiện mức tín hiệu thu thông qua các bộ thu đa đường Rake reciever. Một bộ thu đa đường bao gồm các bộ tương quan, mỗi bộ tương quan nhận một tín hiệu đa đường. Sau khi nén phổ bởi các bộ tương quan, các tín hiệu sẽ được kết hợp lại với nhau theo nguyên tắc đa số. Vì các tín hiệu đa đường có mức độ fading độc lập nhau nên khi kết hợp lại thì trật tự phân tập và hiệu quả của hệ thống sẽ tăng lên rõ rệt. t t t a3 a11 a2 modulator Code generator Binary data a3 a1 a2 Demod a3 a(t-t1) a(t-t3) a(t-t2) Hình 1.8: Mô phỏng bộ thu đa đường Hình vẽ trên mô tả nguyên tắc của bộ thu đa đường. Sau khi trải phổ và điều chế, tín hiệu được phát đi và truyền qua các kênh đa đường. Các kênh này được đặc trưng bởi độ trễ t và độ suy hao a, bộ thu đa đường được hình thành từ nhiều đầu thu, mỗi đầu thu nhận một tín hiệu đa đường. Tại mỗi đầu thu, tín hiệu được tương quan với mã trải phổ, mã này được đồng bộ về thời gian với độ trễ của tín hiệu đa đường. Sau khi né phổ tín hiệu được đánh giá theo nguyên tắc tổng hợp đa số. Do thiết bị đầu cuối (MS) di chuyển, môi trường xung quanh sẽ thay đổi, vì vậy cần phải tính toán liên tục các tham số kênh đa đường. * Điều khiển công suất (Power control) Vấn đề điều khiển công suất cho đường lên của hệ thống DS-CDMA là một vấn đề rất đáng quan tâm. Vấn đề này nảy sinh là do nhiễu đa truy cập. Tất cả các MS trong hệ thống DS-CDMA phát thông tin ở cùng một thời gian và trong cùng một dải tần, vì vậy tất yếu sẽ gây nhiễu cho nhau. Do cơ chế truyền dẫn, mức tín hiệu nhận được từ một thuê bao ở gần trạm gốc sẽ lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu nhận được từ các MS khác ở gần vùng biên giới của ô do đó MS ở gần. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng gần xa. Để đạt được dung lượng tối đa của hệ thống, tất cả các tín hiệu phát từ MS phải được trạm gốc thu với cùng một mức công suất trung bình. Một giải pháp cho vấn đề này là thực hiện điều khiển công suất của các MS tương ứng khoảng cách MS đến trạm gốc. Đối với đường xuống, tất cả các tín hiệu đều được phát đi qua cùng một kênh nên các MS sẽ cùng nhận được một mức công suất thu như nhau. Vì vậy không cần thiết phải thực hiện điều khiển công suất đường xuống giải quyết vấn đề gần – xa. Tuy nhiên, việc điều khiển công suất ở đây lại cần thiết để giảm mức nhiễu đối với các ô lân cận và triệt nhiễu do các ô này gây ra. Trường hợp xấu nhất xảy ra khi MS vài khoảng viên giới của 3 ô lân cận. Có hai phương pháp điều khiển công suất: Điều khi