Đồ án Thiết kế mô phỏng báo hiệu số 7 trong mạng GSM

LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên thông tin cùng với sự phát triển vũ bão của xã hội định hướng thông tin , các dịch vụ thông tin thoại , thông tin số liệu truyền dẫn hình ảnh , thông tin di động v.v.. ngày càng trở nên đa dạng và phong phú . Sự phát triển của công nghệ thông tin bao gồm cả truyền dẫn , cáp quang kỹ thuật số , kỹ thuật thông tin mật độ lớn , kỹ thuật bán dẫn đã được phát triển . Sự phát triển của kỹ thuật thông tin là yếu tố quan trọng thúc đẩy nền kinh tế phát triển và góp phần nâng cao đời sống của con người cùng với những thành tựu của các ngành điện tử tin học Cho đến ngày nay công nghiệp viễn thông trên thế giới đã có những bước tiến nhảy vọt kỳ diệu đã đưa nhân loại sang một kỷ nguyên mới đó là kỷ nguyên thông tin và ở Việt Nam trong những năm gần đây chúng ta cũng thấy điều đó rất rõ ràng . Tuy chỉ là một nước đang phát triển nhưng lĩnh vực thông tin được chính phủ và các ngành rất quan tâm và chú trọng để hoà nhập với mạng thông tin toàn cầu . Kỹ thuật cơ bản cần thiết kế để xây dựng các mạng thông tin có tính năng hoạt động tốt là kỹ thuật số , bán dẫn mật độ cao và kỹ thuật xử lý tín hiệu số . Với khoảng thời gian tìm hiểu có hạn , vì vậy em chỉ tìm hiểu sơ bộ quá trình chuyển mạch trong tổng đài . Nó là một phần trong quá trình phát triển mạng thông tin để làm nền tảng cho việc làm đồ án tốt nghiệp . Vì vậy còn nhiều điều thiếu sót mong thầy cô chỉ bảo thêm. Trong đồ án tốt nghiệp này em giới thiệu các phần cơ bản của hệ thống thông tin di động và em đi sâu nghiên cứu Thiết kế mô phỏng báo hiệu số 7 trong mạng GSM . bản báo cáo gồm 2 phần : Phần I: Tổng quan về thông tin di động Phần II: Hệ thống báo hiệu số 7 trong mạng GSM Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Đặng khánh Hoà đã giúp đỡ hướng dẫn chỉ bảo em trong quá trình hoàn thành đồ án. Với thời gian có hạn, nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót nhất định, em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo cũng của các bạn sinh viên. Em xin chân thành cám ơn. /. PHẦN I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 1. Sự phát triển của các dịch vụ tế bào (Tổ ong- Cellular) Năm 1946, hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên đã được đưa vào hoạt động ở thành phố Saint Louis- Hoa Kỳ, sử dụng băng tần 150 MHz với khoảng cách kênh là 60 KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ tới 3. Tuy nhiên dịch vụ này vừa chỉ mới bắt đầu thì những nhược điểm cố hữu của nó đã bộc lộ. Tất nhiên nhược điểm chính là do những nguyên nhân về can nhiễu cùng kênh nên đòi hỏi phải phân cách về mặt vật lý quá lớn. Năm 1947, phòng thí nghiệm điện thoại Bell bắt đầu bắt tay vào khảo sát một khái niệm tái sử dụng tần số nhờ sử dụng các tế bào nhỏ (cell) với các máy di động công suất thấp. Các tế bào này có thể liên kết với nhau nhờ sử dụng một máy tính, cho phép thuê bao có thể di động trong khi số lượng thuê bao cùng một lúc gia tăng đáng kể mà hệ thống vẫn có thể phục vụ được. Tuy nhiên, thực tế các nước khác đã đưa mạng tế bào hoạt động như một dịch vụ thương mại trước cả Hoa Kỳ. Cụ thể, dịch vụ mạng tế bào thương mại đầu tiên được bắt đầu ở Nhật Bản vào năm 1979. Và rất nhanh sau đó nó được phát triển ở nhiều khác trên thế giới. Mặc dù các dịch vụ mạng tế bào phát triển rất mạnh, nhưng không hề có khả năng tương hợp giữa các dịch vụ trên phạm vi toàn cầu. Hệ thống ở Hoa Kỳ dựa trên thiết kế ban đầu của AT&T và Motorola, được gọi là AMPS (Advanced Mobile Phone Service- dịch vụ điện thoại di động tiên tiến). AMPS được sử dụng ở khoảng 70 nước khác trên thế giới và nó là tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Ngoài ra phải kể đến một số các tiêu chuẩn thông dụng khác là: NMT (Nordic Mobile Telephone- điện thoại di động Bắc Âu), TACS (Total Access Communications Service- dịch vụ truyền thông hoàn toàn truy nhập) và hệ thống GSM (Global System for Mobile- hệ thống di động toàn cầu). Hệ thống NMT ban đầu đã được thiết kế cho các mạng tương đối nhỏ gồm 20.000- 30.000 thuê bao và cung cấp 180 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 hoặc 30 KHz trong dải tần 450 MHz. Một thế hệ sau này của NMT cung cấp dung lượng lớn hơn ở dải tần 900 MHz, nó có khả năng cung cấp 1.000 kênh, mỗi kênh sử dụng dải thông 25 KHz hoặc 2.000 kênh, mỗi kênh có dải thông12,5 KHz. Và hiện tại có khoảng 30 nước đã sử dụng hệ thống NMT. Hệ thống TACS được sử dụng ở Châu Âu, Anh Quốc và khoảng vài chục nước khác. Một dạng chuyển hoá của TACS được sử dụng ở Nhật Bản gọi là JTACS, cung cấp 1.320 kênh, mỗi kênh chiếm dải thông 25 KHz. Còn sự ra đời của GSM có thể nói là do các nước khác nhau ở Châu Âu sử dụng các tiêu chuẩn mạng tế bào khác nhau, cho nên cần có một tiêu chuẩn duy nhất để cung cấp khả năng chuyển vùng (Các tiêu chuẩn khác nhau không chỉ sử dụng các giao thức khác nhau mà còn hoạt động ở các tần số khác nhau, vì vậy không thể có tính tương thích tòn cầu). Do vậy hệ thống GSM đã được phát triển như một dịch vụ số hoá hoàn toàn có thể dùng được ở Châu Âu và nhiều nước khác. GSM được thiết kế để làm việc ở băng tần 900 MHz và qui định tám khe thời gian cho mỗi kênh rộng 200 KHz. 2. Cấu trúc cơ bản của mạng tế bào Về cơ bản, hệ thống điện thoại di động tế bào gồm các máy điện thoại di động trên xe ô tô hoặc xách tay (MS), trạm gốc (BS) và tổng đài di động (MSC- trung tâm chuyển mạch điện thoại di động). Trong đó, máy điện thoại di động bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển . BS cũng bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối giữa máy di động với trung tâm chuyển mạch của hệ thống, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn cung cấp. Còn MSC bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành. Các thành phần chức năng của mạng được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liêụ. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi. Nên cuộc gọi có thể được thiết lập ở bất kỳ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do được kết nối một cách đồng thời với các máy di động. MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng. Bộ phận điều khiển của MSC có thể nói là trái tim của hệ thống tế bào vì nó sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống. Tổng đài MSC kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS. Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền đi qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC. Máy phát Bộ điều khiển hệ thống Tổng đài đầu cuối (Đến các máy thu) (Đến các máy thu) Đường dây dành riêng Đường dây dành riêng Đường dây dành riêng Quay số gọi đến trực tiếp (DID) Tới PSTN Với hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều (500 w) so với các máy di động (25 W). Và đương nhiên anten của máy di động thường ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát. Để cự ly thông tin của hệ thống được như nhau theo cả hai chiều, người ta thường dùng các trạm đầu xa chứa các máy thu. Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động và gửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý. Trong khi đó, đối với mạng tế bào người ta lại bố trí các máy thu/phát trong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ. Các máy thu/phát được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê bao có thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn được duy trì. Điều này cho phép tái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lượng lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trước đây. MSC# 1 MSC# 2 Tới PSTN hoặc các mạng khác Tới PSTN hoặc các mạng khác Cell A Cell B . . . Tuyến kết nối Hình vẽ: Hệ thống tế bào điển hình CHƯƠNG II : PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing) Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ thuật ghép kênh. Hiện nay có rất nhiều loại ghép kênh, nhưng ba hình thức thông dụng nhất là: FDMA (Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo tần số). TDMA (Time Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo thời gian). CDMA (Code Division Multiple Access- Đa truy nhập phân chia theo mã). Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần số riêng. 2. FDMA Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng. Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào. Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn. Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt. Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tương tự (Analog). Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ: 30 KHz kênh 1 Thoại analog 30 KHz kênh 832 . . . Thoại analog Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới được. 3. TDMA Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian. Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho một trong những khe thời gian này. Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đại lượng dải thông như vậy. TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và cuối cùng mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng của tín hiệu. Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 kHz dùng cho mạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital. Các đường truyền âm thanh analog của mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thời gian trong kênh analog 30 kHz. 30 kHz kênh 1 30 kHz kênh 832 . . . Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D (1) (2) (3) (4) (5) (6) 4. CDMA Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang tin ( ví dụ như tiếng nói) được biến đổi thành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫu nhiên. Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đó được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ. Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòi hỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz). Tuy nhiên theo tính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao lớn gấp khoảng 20 lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng như nhau . Bộ biến đổi A/D Tạo mã Bộ biến đổi A/D Tạo mã (20) Bộ biến đổi A/D Tạo mã Bộ biến đổi A/D Tạo mã (20) 1,25 MHz kênh 1 1,25 MHz kênh 20 . . . (1) (1) Hình vẽ trên là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA. Dải thông tăng từ 30 kHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàm thoại. Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biến đổi A/D đúng như với TDMA. Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chèn một mã đặc biệt qua một bộ tạo mã. Sau đó tín hiệu được phát đi, trải rộng thêm 1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng trong dải này. Các đặc tính tiên tiến của thông tin di động sử dụng kỹ thuật CDMA: Tái sử dụng tần só: Trong các hệ thống thông tin di động TDMA, mỗi tần số được tái sử dụng lại tại các tế bào cách nhau một cự ly nhất định. Nhưng trong hệ thống sử dụng kỹ thuật CDMA, một tần số được sử dụng trên cc tế bào kề nhau. Với việc tái sử dụng tần số, ở mức độ giao thoa cho phép có thể đạt dung lượng của hệ thống cao hơn nhiều so với các hệ thống di động dùng kỹ thuật FDMA hoặc TDMA. Dung lượng đạt cao hơn: Trong hệ thống di động CDMA, khoảng 27 cuộc gọi tốc độ 9,6 Kb/s có thể làm việc đồng thời trong một sector và 18 cuộc gọi tốc độ 14,4 Kb/s đồng thời cho một sector. Dung lượng của hệ thống CDMA lớn gấp 13,5 lần so với hệ thống di động AMPS, và lớn gấp 5 lần so với hệ thống di động TDMA. Khả năng chuyển vùng mềm: Quá trình máy di động di chuyển trong vùng phủ sóng có thể xảy ra ba loại chuyển vùng khác nhau là: Chuyển vùng cứng (Máy di chuyển giữa các LA kề nhau hay giữa các BSC), chuyển vùng mềm (Máy di chuyển giữa các BTS của cùng một BSC) và chuyển vùng mềm hơn (Máy di chuyển giữa các sector của cùng một BTS). Trong khi hệ thống di động TDMA sử dụng kỹ thuật chuyển vùng cắt trước khi nối thì trong công nghệ CDMA lại sử dụng kỹ thuật nối trước khi cắt. Khi đang di chuyển, máy di động vẫn tiếp tục dò tìm tín hiệu dẫn đường của các trạm thu phát bên cạnh. Nó so sánh tín hiệu thu được của các trạm lân cận với tín hiệu của trạm đang kết nối. Khi cường độ thu của trạm lân cận đạt đến một mức ngưỡng nào đấy thì việc chuyển vùng mềm có thể sẽ được thực hiện. Lúc này, máy di động gửi bản tin đến trạm điều khiển trung tâm (BSC). Trạm trung tâm thực hiệ kết nối máy di động và trạm thu phát mới trong khi vẫn giữ đường kết nối ban đầu. Chỉ sau khi thực hiện thành công việc kết nối rồi mới cắt liên lạc với trạm cũ. Ưu điểm nổi bật của chuyển vùng mềm và chuyển vùng mềm hơn là loại trừ được các hiện tượng rơi cuộc gọi hay gán đoạn thông tin trong khi máy di động di chuyển trong vùng giáp danh giữa các BTS hoặc giữa các sector trong cùng một BTS. Tính đa dạng của phân tập: Phân tập là một phương pháp hiệu quả để giảm fading. Có ba loại phân tập là: Phân tập theo thời gian dùng kỹ thuật chèn mã, tách lỗi và sửa sai. Phân tập theo khoảng cách: thiết kế nhiều cặp antenthu tại một trạm gốc BTS, thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối với máy di động đồng thời với hai hoặc nhiều BTS. Loại phân tập dùng phương pháp thu đa đường là phân tập cao nhất nhờ đặc tính duy nhất của CDMA là thu/phát dùng mã PN mà các hệ thống vô tuyến di động khác không có. Nhờ có bộ tương quan song song mã PN, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường sau đó tổ hợp và giải điều chế tín hiệu thu được. Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu được nhưng không có tác động đến các đường thu khác nếu không có sự tương quan PN giữa các đường thu. Vì vậy tổng tín hiệu thu được có độ tin cậy rất cao vì khả năng có fading đồng thời trong tất cả các tín hiệu là rất thấp. Với việc ứng dụng nhiều loại phân tập, các kỹ thuật vô tuyến di động dùng kỹ thuật CDMA khắc phục được các hiện tượng gián đoạn cuộc gọi, cải thiện đáng kể chất lượng thoại và truyền số liệu. Điều khiển tự động công suất phát: Công suất phát của máy di động được tự động điều chỉnh sao cho tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể thu được với đọ nhạy trung bình tại bộ thu của trạm gốc BTS. Bộ thu CDMA của trạm gốc BTS chuyển tín hiệu thu được từ máy tương ứng thành thông tin số băng hẹp. Khi đó tín hiệu thu được của các máy di động còn lại là tín hiệu nhiễu của băng rộng. Thủ tục thu hẹp băng nhằm nâng cao tỷ số S/N lên đến mức cao nhất. Dung lượng của hệ thống đạt được là lớn nhất khi tín hiệu thu được tại BTS từ các máy di động có tỷ số S/N đạt giá trị cao nhất. Trạm BTS cung cấp chức năng mở mạch điều khiển công suất qua việc cung cấp cho máy di động một hằng số công suất. Hằng số này liên quan đến các yếu tố như tải, tạp âm của BTS, tăng ích của anten và khuếch đại công suất. Các thông tin này được gửi tới máy di động như một bản tin thông báo, thông qua mạch đóng trạm gốc BTS điều chỉnh cống suất mạch mở để máy di động giữ được công suất phát tối ưu nhất. Trạm gốc cứ sau khoảng thời gian 1,25 ms lại so sánh tín hiệu thu được từ máy di động với giá trị ngưỡng biến đổi và BTS điều khiển máy di động điều chỉnh công suất phát đến khi đạt kết quả tốt. Mục đích của việc điều khiển công suất phát của trạm gốc còn đạt mục tiêu giảm công suất phát của máy di động mỗi khi ở trạng thái rỗi hoặc ở vị trí gần BTS. Với kêt quả này công suất sẽ tập trung cung cấp cho các máy ở vùng có nguy cơ thu gián đoạn hay máy di động đang ở vị trí xa BTS. Công suất phát thấp: Việc giảm tỷ số S/N không những làm tăng dung lượng hệ thống mà còn có tác dụng giảm công suất phát để khắc phục tạp âm và giao thoa. Khi giảm công suất phát, sẽ giảm được giao thoa Và bán kính phục vụ của một trạm gốc có thể đạt lớn hơn, số lượng trạm gốc BTS cần ít hơn so với các hệ thống di động TDMA. Bảo mật cuộc gọi: Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật thông tin rất cao vì tạo được mã PN riêng biệt cho mỗi máy, vì vậy dùng máy thu khác để nhận dạng hay tìm kiếm là rất khó khăn. 5. So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào: Trong FDMA mỗi một khe tần số được dành riêng cho một người sử dụng và người này sẽ dùng khe tần số này suốt quá trình cuộc gọi . Trong sơ đồ TDMA mỗi người dùng được cấp cho một khe thời gian trong quá trình gọi. Số lượng người dùng được quyết định bởi số lượng các khe thời gian hay tần số khác nhau có sẵn. Trong sơ đồ CDMA tất cả các người dùng phát đồng thời và trên một tần số. Tín hiệu được phát đi chiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các dãy mã được sử dụng để phân biệt người sử dụng này với người sử dụng kia. CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác. Nó có thể tính được phương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số. Các máy thu CDMA được thiết kế để tận dụng ưu điểm từ đặc tính nhiều đường liên quan đến fading chọn lọc tần số và để làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của chúng đến dung lượng của hệ thống. Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA có được trong môi trường vô tuyến đa tế bào. Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công suất lớn được sử dụng để phủ sóng cho một vùng rộng lớn. Hệ thống này bị hạn chế khắt khe về mặt băng tần và không thể đáp ứng các dịch vụ di động. Trong hệ thống điện thoại di động tế bào, máy phát của trạm gốc đơn lẻ được thay thế bởi rất nhiều các trạm gốc có công suất nhỏ hơn, mỗi máy phát phủ sóng cho một vùng có dạng tổ ong, gọi là một tế bào. Trong các hệ thống FDMA hay TDMA mỗi tế bào được chia cho một phần tử của dãy tần số có sẵn. Dãy tần được dùng trong một tế bào có thể được sử dụng lại trong tế bào khác cách đó đủ xa sao cho tín hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu đến nhau. Số K tế bào sử dụng hết toàn bộ phổ tần có sẵn được gọi là cluster (cụm). Các cluster được bố trí như hình vẽ sau: G B C D F A E G B C D F A E G B C D F A E G B C D F A E G B C D F A E Hình vẽ: Cấu trúc cơ bản của hệ thống tế bào Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng băng tần sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Nhiễu đồng kênh là một tham số giới hạn của hệ thống vô tuyến di động. Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong TDMA/FDMA và FM/FDMA gây ra nhiễu đồng kênh vì có cùng một dải tần được sử dụng lại ở một tế bào khác. Việc sử dụng các cluster 7 tế bào trong nhiều hệ thống vô tuyến di động là không đủ để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh. Có thể tăng K lớn hơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làm giảm số lượng các kênh trong một tế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống. Tương tự nếu giữ nguyên hệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào thành những vùng nhỏ hơn. Mỗi tế bào được chia thành ba hoặc sáu vùng nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten định hướng tương ứng tại trạm gốc phục vụ cho cả thu lẫn phát. Mỗi vùng nhỏ này sử dụng một dải tần riêng, khác với dải tần của các vùng kia. Thí dụ, nếu một tế bào được chia thành ba vùng nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉ một phần ba của nhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc. Sử dụng tế bào chia nhỏ thành ba vùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thể tăng thêm gấp ba lần trong cùng một cluster. Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống là tính tích cực của thoại. Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người chỉ nói khoảng 35% đến 40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại. Trong hệ thống CDMA tất cả những người sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến. Khi những người sử dụng trên kênh đang liên lạc không nói thì những người sử dụng đang đàm thoại khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiễu. Do vậy việc giám sát tính tích cực của tiếng nói làm giảm nhiễu đa truy nhập đến 65%. Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5. Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được phân chia tần số hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống cấp lại hai tài nguyên này cho hai người khác trong khoảng thời gian rất ngắn khi kênh ấn định yên lặng là không thực tế vì điều này yêu cầu phải chuyển mạch rất nhanh giữa những người sử dụng khác nhau. Trong FDMA và TDMA việc tổ chức tần số là yêu cầu khó khăn vì nó kiểm soát nhiễu đồng kênh. Trong hệ thống CDMA chỉ có một kênh chung nên không cần thực hiện tổ chức tần số. Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bào trong quá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm gốc sẽ yêu cầu chuyển giao (handover). Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một kênh mới khi cuộc gọi tiếp tục. Trong CDMA các tế bào khác nhau, khác nhau ở chỗ sử dụng các dãy mã khác nhau nhưng giống nhau là đều sử dụng cùng phổ tần. Do đó không cần phải thực hiện handover từ tần số này qua tần số khác. Chuyển giao như vậy được gọi là chuyển giao mềm (soft handover). Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng người dùng như trong FDMA và TDMA. Tuy vậy chất lượng hoạt động của hệ thống đối với tất cả những người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng người sử dụng cùng liên lạc tăng lên. Khi số người sử dụng tăng lên đến mức độ nào đó thì sẽ khiến cho nhiễu có thể làm cho tiếng nói trở nên khó hiểu và gây mất ổn định hệ thống. Tuy nhiên trong CDMA ta quan tâm đến điều kiện “phong toả mềm”, có thể giải toả được trái với điều kiện “phong toả cứng” như trong TDMA và FDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm. Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm. Hai nhược điểm nổi bật là: hiệu ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần. Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy mã không trực giao gây ra. Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di động truyền tin độc lập với nhau, tín hiệu của chúng không đến trạm gốc một cách cùng lúc. Do trễ thời gian của chúng là phân bố ngẫu nhiên nên sự tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng là khác không. Để nhận được nhiễu có mức thấp tất cả tín hiệu phải có tương quan chéo nhỏ và mọi trễ thời gian tương đối. Tương quan chéo giữa các ký tự có được bằng việc thiết kế một tập các dãy trực giao. Tuy nhiên không có một tập dãy mã nào được biết là hoàn toàn trực giao khi được dùng trong hệ thống không đồng bộ. Các thành phần không trực giao của tín hiệu của những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tín hiệu điều chế mong muốn. Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệ thống như vậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởi những người sử dụng khác. Điều này khác với trong các hệ thống TDMA và FDMA, trong các hệ thống này tính chất trực giao của tín hiệu thu được bị duy trì bằng việc chọn lọc và đồng bộ chính xác. Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần. Hiện tượng này xuất hiện khi một tín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh từ nguồn nhiễu đó. Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần công suất tín hiệu mong muốn sẽ tác dụng gần như là n tín hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu. Để