Luận văn Hệ thống thông tin di động CDMA

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. 1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ở băng tần 2MHz. Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz. Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2. Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C, ... Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trước hết là về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bào phải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹ thuật số. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số. Trước hết kỹ thuật số bảo đảm chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn. Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau: Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn. Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng. áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số. Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống. Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn. Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN. Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số. Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính: GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC. Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn. Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990. Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây)... để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh... Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình... 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy di động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động (MSC). Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ô tô (hay xách tay), BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động). Máy điện thoại di động (MS) bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển, BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn. MSC sử 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. Chúng 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 cuội gọi đã hoàn thành. Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu. 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 qua bất cứ 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 đã được kết nối một cách đồng thời với các máy di động. Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống. Tổng đài tổ ong 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. Tổng đài đầu cuối Đến các máy thu Máyphát Bộ điều khiển hệ thống Tới PSTN Hình 1.1: Sơ đồ kết nối trong hệ thống TTDĐ Với hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều (500W) so với các máy di động (25W). 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. 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. MSC# 1 MSC# 2 Tới PSTN hoặc các mạng khác Tới PSTN hoặc các mạng khác Cell A Cell B . . . Tuyến kết nối Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động tế bào điển hình. 1.3 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động 1.4.1 Nguyên tắc chung Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, và có thể cho phép nhiều người cùng khai thác chung một tài nguyên trong cùng thời điểm, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập. Hiện nay có ba hình thức đa truy nhập khác nhau là: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). 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. 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (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). 30 KHz kênh 1 Thoại analog 30 KHz kênh 832 . . . Thoại analog Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ: Hình 1.3: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ. Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng trong cùng thời gian thì nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới được. 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (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) Hình 1.4: Kỹ thuật TDMA 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang thông 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 . Hình vẽ dưới đây 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. 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 1.5: Kỹ thuật CDMA 1.4.5 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 Giữ tới Tb+DN A E G B C D F A E G B C D F A E G B C D F A E Hình 1.6 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 khắc phục hiệu ứng xa gần trong hầu hết các ứng dụng CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất. Trong hệ thống tế bào điều khiển công suất được thực hiện bởi các trạm gốc, các trạm này định kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh công suất máy phát sao cho tất cả các tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức công suất là như nhau.  CHƯƠNG II KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 2. 1 Mở đầu Khái niệm trải phổ: là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng tín hiệu trên một băng tần rộng( rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế). Do hệ thống thông tin di động CDMA được xây dựng trên lý thuyết trải phổ nên việc tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ là rất cần thiết. Với một hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát. Việc sử dụng sẽ là không hiệu quả nếu chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS( Spread Spectrum – trải phổ). Nhưng với môi trường nhiều người sử dụng thì họ có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần hiệu quả hơn. Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ nếu: tín hiệu phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết và trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu 2.2 Các hệ thống trải phổ 2.2.1 Hệ thống trải phổ DS Phương pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu được gọi là kỹ thuật trải phổ trực tiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ). Trong phương pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còn trong các phương pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điều chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu. Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao. Song nó có nhược điểm là băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lượng phổ chỉ chiếm đến 90% trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất. Dải phụ thứ 1 Dải phụ thứ 1 Dải chính -2RC -RC RC 2RC f S(f) [] Hình 2.1: Phổ của tín hiệu DS Công thức tính mật độ phổ công suất S(f) = 2 Trong đó: P: công suất phát Rc: tốc độ chíp mã f0: tần số sóng mang 2.2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK Sóng mang Mã trải phổ ±1 Bộ điều chế dữ liệu C(t) S(t) Dữ liệu nhị phân d(t) Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụng phương pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ). Mã trải phổ được sử dụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị ± 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang đã được điều chế BPSK. Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát ) Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng như sau: S(t) = A Cos w0t Trong đó A là biên độ của sóng mang w0 là tần số góc của sóng mang Gọi P là công suất sóng mang và Arms là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có: A = Arms và P = A2rms Do đó : A = Do đó sóng mang còn có thể viết dưới dạng: S (t) = Cosw0t Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ được thể hiện thông qua pha của sóng mang. Sóng mang bây giờ có dạng: Sd(t) = Cos [w0t + qd (t)] ; 0 £ t £ TS với qd(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu TS : là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế. Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t) có dạng xung NRZ. Đó là dãy mã nhận các giá trị ± 1 và có tốc độ chip lớn gấp nhiều lần tốc độ của dữ liệu. Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ được phát đi có dạng S T(t) = Cos [ w0t + qd (t) + qC (t)] qC(t) : góc pha của ST(t) phụ thuộc vào c(t) Nếu như cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị ± 1 thì ST(t) có thể được viết lại đơn giản như sau: ST (t) = d(t). c(t) Cosw0t Từ phương trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phía phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ được thực hiện đơn giản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t). Bộ giải điều chế ở phía thu được thực hiện bằng sự tương quan giữa tín hiệu thu được R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát được tạo ra ở máy thu. Trong đó Td : Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu d : Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ Tín hiệu truyền tới máy thu là Với j là góc pha ngẫu nhiên j = [0 , 2p] d(t) Điều chế BPSK S(t) C(t) Lọc thông giải Giải điều chế BPSK C(t-d) d(t) Sd(t) Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu ) ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian Quá trình giải điều chế tín hiệu