Hệ thống Thông tin di động

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 Ê t Ê 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 R(t) được thực hiện qua 2 bước - Bước 1: Thực hiện quá trình nén phổ. Quá trình này được thực hiện bằng việc nhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ được tạo ra ở máy thu là c(t-d) . Sau bước này tín hiệu ra bộ cộng modul 2: R*(t) = c(t-Td). c(t-d). Cos[w0(t-Td) + qd(t-Td) + j] Nếu đạt được đồng bộ tốt thì d =Td và c (t-Td). c(t-d) = c(t-Td)2 = 1 Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải đã được giải trải phổ chỉ còn mang tín hiệu dữ liệu R*(t) = . Cos[w0(t-Td) + qd(t-Td) + j] Như vậy sau bước nén phổ ta thu được dữ liệu chỉ còn mang thông tin có dạng giống như tín hiệu Sd(t) ở phía phát song bị trễ đi một khoảng thời gian là Td. - Bước 2: Giải điều chế pha. Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) được đi qua bộ giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t). Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK. PTb/2 -f0 0 1/Tb +f0 f a. Phổ tín hiệu trước khi trải phổ f PTc/2 1/Tc -f0 +f0 0 b. Phổ tín hiệu sau khi trải phổ Hình 2.4 Phổ công suất DS/BPSK Với P là công suất tín hiệu Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha được tính như sau: Sd(f) = Sd(t). exp(-iwt)dt = PTb{Sin2[(f-f0)Tb] + Sin2[(f+f0)Tb]} Với f0 = w0/ 2p : là tần số sóng mang dữ liệu ( tần số trung tâm băng tần dữ liệu ). Tb : thời gian bit dữ liệu. Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng được tính tương tự ở đây Tc là thời gian chip mã trải phổ. Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệu trải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm hai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PTC/2 bề rộng phổ mỗi bên bằng 2/TC. Như vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên Tb/Tc lần và biên độ phổ giảm đi Tb/Tc lần. Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu nên Tc Ê Tb vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều. Độ tăng ích của hệ thống: Độ tăng ích của hệ thống được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần trải phổ và tốc độ dữ liệu vào GP = WSS / Rb Wss : độ rộng băng trải phổ có giá trị xấp xỉ tốc độ chip của mã trải phổ Wss ằ Rc=1/Tc Rb : Tốc độ dữ liệu Rb=1/Tb GP = = = Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích được xử lý càng tốt và chất lượng hệ thống trải phổ càng tốt. 2.2.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK. 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau: Tổ hợp bit Trạng thái pha 00 01 10 11 0 p/2 p 3p/2 Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK như sau: Dữ liệu vào d(t) Sd(t) C1(t) C2(t) ST(t) I Q Cosw0t Cos[w0t+qd(t)] Sin[w0t+qd(t)] Bộ điều chế pha Bộ lai cầu phương ồ Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK Hoạt động của bộ điều chế như sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điều chế sóng mang s(t) = Cosw0t . Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái Sd(t) = Cos[w0t + qd(t)] 0 Ê t Ê Ts trong đó qd(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, p/2, p , 3p/2 tuỳ theo cặp bit tương ứng. cosw0t sinw0t 01 10 00 11 Các vectơ tín hiệu được biểu diễn trong không gian tín hiệu như sau: Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên 2 đường được gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phương ) Sóng mang trên kênh I là: SdI(t) = Cos[w0t + qd(t)] Sóng mang trên kênh Q là: SdQ(t) = Sin[w0t + qd(t)] ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang được chia ra làm hai thành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa Sd(t). Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phương Q sau đó được điều chế trải phổ với hai mã trải phổ là C1(t) và C2(t) tương tự như quá trình điều chế trải phổ BPSK Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là : STI(t) = Cos[w0t + qd(t) + qC1(t)] STQ(t) = Sin[w0t + qd(t) + qC2(t)] Hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) là các dòng xung lưỡng cực, chỉ nhận các giá trị mức ±1 được đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đưa vào bộ cộng (S) là tương quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK được viết như sau: ST(t) = STI(t) + STQ(t) = Cos[w0t + qd(t) + qC1(t)] + Sin[w0t + qd(t) + qC2(t)] hay ST(t) = C1(t). Cos[w0t + qd(t)] + C2(t). Sin[w0t + qd(t) ] Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính ST(t) là như nhau chỉ khác về biên độ và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính ST(t) ta có thể tính được phổ công suất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóng mang điều chế BPSK thành phần. Bởi vì 2 thành phần STI(t) và STQ(t) là trực giao nhau nên phổ công suất của ST(t) bằng tổng đại số phổ công suất của STI(t) và STQ(t). Bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK có sơ đồ như sau: 2Cos[(w0 + wIF)t + j] 2Sin[(w0 + wIF)t + j] Tín hiệu thu ST(t-Td) C2(t-d) C1(t-d) X(t) Y(t) d(t) Bộ chia công suất Lọc thông dải Giải điều chế pha QPSK ồ Hình 2.6: Sơ đồ bộ giải điều chế QPSK Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế là ST(t-Td) = C1(t-Td). Cos[w0t + qd(t)] + C2(t-Td). Sin[w0t + qd(t) ] Sau bộ chia công suất, tín hiệu trên hai nhánh chỉ còn một nửa công suất của ._.tín hiệu vào song có tần số không đổi. Nếu bỏ qua sự lệch pha ngẫu nhiên j , các thành phần X(t) và Y(t) được tính toán như sau: X(t) = C1(t-Td). C1(t-d). Cos[w0t + qd(t)]. 2Cos[(w0+ wIF)t] +C2(t-Td). C1(t-d).Sin[w0t + qd(t) ] . 2Cos[(w0+ wIF)t] X(t) = C1(t-Td).C1(t-d).{ Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } +C2(t-Td).C1(t-d).{Sin[2w0t+wIFt+qd(t)] + Sin[-wIFt +qd(t)] } Trong trường hợp lý tưởng, mã trải phổ phía thu được đồng bộ chính xác với mã trải phổ phía phát, nghĩa là d= Td do vậy C1(t-Td).C1(t-d) = C1(t-Td)2 = 1 Mặt khác hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) trực giao nhau nên C2(t-Td).C1(t-d) = C2(t-Td).C1(t-Td) = 0 X(t) lúc này được viết lại như sau: X(t) = { Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } Bộ lọc thông dải BPF được điều chỉnh cộng hưởng tại tần số wIF và có độ rộng đủ lớn để cho sóng mang đi qua mà không bị biến dạng Tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm wIF là X*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Tính toán tương tự cho Y(t), kết quả ta được Y(t) = { - Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } Tại lân cận wIF ta cũng có Y*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Tín hiệu sau bộ lọc thông dải là: Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Từ công thức trên ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phục hồi. Bây giờ cho Z*(t) đi qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t). Sau đây sẽ trình bày cấu trúc và hoạt động của hai bộ điều chế, giải điều chế QPSK: a.Bộ điều chế: Dãy bit dữ liệu d(t) qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song được chia thành hai dãy, dI(t) gồm các bit chẵn và dQ(t) gồm các bít lẻ. Dòng bit dI(t) điều chế biên độ hàm cos với 2 giá trị là +1 và -1 tương đương với hai pha lệch nhau 1800 thể hiện bit 0,1.Tương tự dòng bit dQ(t) điều chế biên độ hàm sin ( lệch pha hàm cos là 900) cho ta hai trạng thái lệch pha nhau 1800 và lệch pha với dI(t) là 900 . Tổng hai tín hiệu này ở đầu ra là tín hiệu điều chế QPSK. dQ(t) ST(t) tín hiệu QPSK S Cosw0t d(t) dI(t) Bộ chuyển đổi nối tiếp song song 900 Hình 2.7: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu QPSK b. Khối giải điều chế: Hoạt động của bộ giải điều chế được trình bày trong hình 2.9 sau. Tín hiệu thu Dữ liệu ra Cosw0t Bộ chia công suất 900 Lọc Triger Lọc Triger Bộ chuyển nối tiếp song song Bộ khối phục tần số nhịp Hình 2.8: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK Do có đường bao không đổi nên trong tất cả các hệ thống PSK việc tách sóng phải được thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ. Đối với hệ thống kiểu BPSK, dao động chuẩn được nhân với tín hiệu thu. Khi đó, nếu dao động chuẩn được nhân với dao động cùng pha sẽ tạo ra một tín hiệu ra dương biên độ cực đại, còn khi nhân với tín hiệu ngược pha sẽ tạo ra được tín hiệu ra âm biên độ cực đại. Như vậy hệ thống kiểu BPSK nhận được đặc tính của tín hiệu đối lập nếu tạo ra được một dao động chuẩn kết hợp tại chỗ. Khi tách sóng các tín hiệu điều chế bằng phương pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị pha của tín hiệu thu được nằm gần 00 hoặc 1800. Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộ lọc pha trực tiếp phản ánh thông tin tách ra được. Tuy nhiên ở hệ thống sử dụng phương pháp điều chế QPSK, thông tin nhận được từ bộ tách sóng pha duy nhất là không đầy đủ vì 2 nguyên nhân: + Cosqd(t) không chỉ ra qd(t) dương hay âm. + Biên độ tín hiệu ra bộ tách sóng pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thu được cũng như với Cosqd(t) . Do đó từ biên độ của tín hiệu ra bộ tách sóng pha không thể tách ra được một thông tin nào khi không so sánh nó với biên độ tín hiệu thu được . Cả 2 vấn đề này giải quyết được nếu nhờ bộ trộn và lọc thứ hai do pha với một dao động chuẩn khác. Đúng như mong muốn, các đặc tính tốt nhất thu được trong trường hợp nếu như dao động chuẩn thứ hai trực giao với dao động chuẩn thứ nhất. Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phương) được mô tả về mặt toán học như sau: SI(t)= thành phần tần số thấp của {cos[w0t + qd(t)].2 cosw0t}=cosqd(t) SQ(t)=thành phần tần số thấp của {cos[w0t + qd(t)].2 sinw0t}=sinqd(t) Bộ tách sóng pha thứ hai không những chỉ giải quyết tính chất không xác định giữa pha âm và pha dương, mà còn khắc phục được sự cần thiết trong việc chuẩn biên độ. Tất cả các cách giải quyết có thể dựa vào dấu của tín hiệu ở đầu ra của bộ tách sóng pha chứ không dựa vào biên độ . Có nhận xét sau: bit đầu tiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dương (00 hoặc p/2) và bằng 1 trong trường hợp ngược lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn được xác định nhờ vào cực của sinqd(t) tức là tín hiệu ra của bộ tách sóng pha thứ hai (kênh cầu phương). Tương tự bit thứ hai của tín hiệu bằng 1 nếu pha p/2 hoặc p , điều đó cho thấy rằng dấu của tín hiệu ra bộ tách sóng pha thứ nhất (kênh cùng pha) chứa đựng thông tin cần thiết xác định bit thứ hai. Trên đây ta đã trình bày hai phương pháp trải phổ trực tiếp BPSK và QPSK. Ngoài ra còn có những phương pháp là kết hợp của hai phương pháp trên , nhưng đều không phổ biến vì vậy không được trình bày trong đồ án này. 2..2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH Nếu trải phổ dãy trực tiếp là điều chế trực tiếp tín hiệu số vào mã trải phổ, thì trải phổ nhẩy tần là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ (sóng mang có tần số thay đổi theo mã trải phổ sẽ được điều chế với tín hiệu thông tin cần truyền) Nói chính xác thì điều chế FH là “sự chuyển dịch tần số của nhiều tần số được chọn theo mã”. Nó gần giống FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên. FSK đơn giản sử dụng 2 tần số và phát tín hiệu là f1 khi có ký hiệu và phát f2 khi không có ký hiệu. Mặt khác thì FH có thể sử dụng vài nghìn tần số. Trong các hệ thống thực tế thì sự chọn lọc ngẫu nhiên trong 220 tần số được phân bố có thể được chọn nhờ sự tổ hợp mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số. Trong FH khoảng dịch giữa các tần số và số lượng các tần số có thể chọn được được xác định phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt. Như vậy trong hệ thống dịch tần FH, tần số sóng mang thay đổi theo chu kỳ. Cứ sau một khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhẩy tới một giá trị khác. Quy luật nhẩy tần do mã trải phổ quyết định. Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS và FH là khác nhau. Hệ thống DS chiếm dụng toàn bộ băng tần khi nó truyền dẫn trong khi hệ thống FH chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn. Như vậy, công suất mà hai hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bình là như nhau. Hệ thống FH cơ bản gồm có bộ tạo mã và bộ tổ hợp tần số, bộ phát mã PN điều khiển bộ tỏng hợp tần số phải nhảy tần theo qui luật của nó. Hệ thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiên giữa các tần số vô tuyến f1,f2,…,fn với n có thể lên tới con số hàng nghìn. Nếu tốc độ nhảy tần (Tốc độ chíp ) lớn hơn tốc độ bít dữ liệu thì được gọi là nhảy tần nhanh FFH (Fast Frequency Hopping), khi đó sẽ có nhiều tần số được truyền đi trong thời gian một bít. Còn ngược lại tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit (nhiều bit tin được truyền đi trong một tần số ) thì được gọi là nhảy tần chậm SFH (Slow Frequency Hopping ). Gọi Df = fi – fi-1 là chênh lệch tần số giữa hai tần số kề nhau còn N là số tần số nhảy tần có thể chọn thì tăng ích xử lý hệ thống trải phổ nhảy tần FH là: (Giả thiết dải thông dữ liệu băng gốc Bd=1 bước nhảy tần nhỏ nhất Df) Phổ FH lý tưởng trong một chu kỳ có dạng hình vuông hoàn toàn và phân bố đồng đều trong các kênh tần số truyền dẫn. Các máy phát trong thực tế cần phải được thiết kế sao cho công suất phân bố đồng đều trong tất cả các kênh. Điều chế FH Điều chế MFSK K bit dữ liệu K bit PN Nguồn nhiễu Mã hoá 1 Giải điều chế FH K bit PN 2 M Giảimã hoá M bộ tách năng lượng Hình 2.9 Hệ thống FH Nguyên lý trải phổ nhảy tần như sau: Một đoạn k chíp của mã giả ngẫu nhiên điều khiển bộ tổng hợp tần số, để tần số sống mang nhảy lên một trong 2k tần số khác nhau. Nếu xét trong một tần số nhảy thì độ rộng băng tần tín hiệu bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK và rất nhỏ so với độ rộng của tín hiệu trải phổ nhảy tần. Với bộ giải điều chế không liên kết, để đảm bảo tính trực giao thì khoảng cách về tần số giữa các tone MFSK phải bằng bội số nguyên lần của tốc độ chip (Rp). Điều này đảm bảo cho một mẫu phát đi không ảnh hưởng xuyên âm tới các bộ tách khác. Dải băng tần tín hiệu nhảy tần được chia đều thành Nt phần bằng nhau: Nt = Wss/Rp Sau đó Nt phần này lại được chia thành Nb nhóm riêng biệt: Nb = Nt/M Mỗi nhóm này sẽ có độ rộng băng tần là Wd = Wss/Nb. Theo cách xắp xếp này, đoạn mã nhị phân k bit của chuỗi PN sẽ xác định Nb = 2K tần số sóng mang khác nhau. Trong khi đó, mỗi tone nhảy tần là cố định và nằm trong khoảng M tần số xác định tương đối. a.Nhảy tần nhanh Hình vẽ sau mô tả phổ của tín hiệu MFSK và phổ tín hiệu nhảy tần nhanh theo thời gian. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên thực hiện trải phổ là một chuỗi mã được tạo ra từ bộ tạo mã giả nhiễu dùng bộ 4 thanh ghi dịch. Mã trải phổ có tốc độ bit gấp 4 lần tóc độ dữ liệu (Rp = Rh = 4Rs) tức là k = 4. Hệ thống thực hiện trải phổ nhảy tần nhanh với tín hiệu MFSK 4 mức lên ngẫu nhiên một trong 4 dải tần số, dưới sự điều khiển của tín hiệu giả ngẫu nhiên PN. Do tín hiệu MFSK điều chế 4 mức nên cứ 2 bit dữ liệu xác định một giá trị nằm 1 trong 4 mức có thể của dải tần số và một tone này được phát đi trong khoảng thời gian bằng 2 lần chu kỳ bit dữ liệu. Cũng tương tự như vậy, cứ một cặp 2 bit giả ngẫu nhiên cho phép ta xác định được một trong 4 dải băng tần mà một tone tín hiệu MFSK cần nhảy tới. Trong trường hợp này độ rộng băng tần của tín hiệu nhảy tần sẽ lớn gấp 4 lần độ rộng băng tần tín hiệu MFSK nguyên thuỷ (Wss=4Wd). WSS 11 10 01 00 Wd 01 00 11 01 01 11 11 00 10 01 10 10 01 11 10 00 11 11 00 01 00 10 01 10 00 11 01 01 11 10 Hình 2.10 Nhảy tần nhanh Dữ liệu 2Tb Chuỗi PN b. Nhảy tần chậm Trong phép nhảy tần này ta cũng dùng chuỗi giả ngẫu nhiên như đã dùng trong ví dụ nhảy tần nhanh trên. Khác với trường hợp nhảy tần nhanh, trong hệ thống nhảy tần chậm thì tốc độ chuỗi tín hiệu trải phổ thấp hơn so với tốc độ dòng dữ liệu và khi đó tốc độ chip bằng tốc độ dòng dữ liệu. Trong ví dụ này Rp = Rb = 6Rh. Tín hiệu MFSK được điều chế bởi dữ liệu theo 4 mức tức là cứ 2 bit dữ liệu xác định 1 tone phát đi trong khoảng thơì gian bằng 2 lần chu kỳ dòng bit dữ liệu. Với bước điều chế nhảy tần. Cứ 3 bit giả ngẫu nhiên xác định một trong 8 băng tần mà tín hiệu MFSK sẽ nhảy tới (k = 3). Như vậy băng tần của tín hiệu trải phổ nhảy tần sẽ lớn gấp 8 lần băng tần tín hiệu MFSK ban đầu WSS 101 01 11 00 11 11 01 10 00 00 01 Hình 2.11 Nhảy tần chậm Dữ liệu 2Tb Wd Chuỗi PN 111 000 100 110 3Tc 111 110 101 100 011 010 001 000 Hình vẽ dưới đây mô tả phổ tín hiệu trải phổ nhảy tần chậm theo thời gian. c. Hệ thống giải điều chế nhảy tần Quá trình thực hiện giải điều chế tín hiệu trải phổ nhảy tần được thực hiện ngược lại so với quá trình trải phổ và cũng được thực hiện qua 2 bước. Bước thứ nhất là thực hiện nén phổ tín hiệu nhảy tần để thu lại được tín hiệu điều chế tần số MFSK. Bước thứ hai là khôi phục lại dữ liệu từ tín hiệu MFSK bằng bộ giải điều chế MFSK thông thường. Nén phổ tín hiệu nhảy tần: Giả sử tại đầu thu đã tạo lại đực tín hiệu trải phổ giả nhiễu đồng bộ với bên phát. Khi đó tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp tần số tại bên thu cũng nhảy giống hệt như bên phát. tín hiệu nhảy tần thu được sẽ trộn với tín hiệu tổng hợp tại chỗ này và khi qua bộ lọc băng tần bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK ta sẽ thu lại được tín hiệu chứa dữ liệu MFSK. Như vậy một điều hết sức quan trọng đảm bảo sự thành công của bước nén phổ này là bên thu cần taọ được mã giả ngẫu nhiên đồng bộ hoàn toàn với bên phát. Giải điều chế tín hiệu MFSK: Lọc 1 Lọc 2 Lọc M Mạch tách đường bao 1 Mạch tách đường bao 2 Mạch tách đường bao M Bộ so sánh lấy giá trị lớn nhất và giải mã Tín hiệu sau giải điều chế nhảy tần Dữ liệu Hình 2.12 Giải điều chế tín hiệu MFSK Tín hiệu sau khi nén phổ là tín hiệu dịch tần M mức (MFSK) chứa dữ liệu. Để thực hiện giải điều chế tín hiệu này người ta hay sử dụng M bộ lọc thông dải và M bộ tách sóng đường bao. Đầu ra của bộ lọc thứ i và bộ tách thứ i sẽ khác 0 khi tín hiệu dữ liệu được điều chế ở mức i. Còn lại M-1 đầu ra còn lại sẽ có giá trị bằng 0. Tuy nhiên trong thực tế, do ảnh hưởng của nhiễu đầu ra thứ i không có giá trị cực đại tối đa và M-1 đầu ra còn lại cũng không bằng 0 nên cần sử dụng bộ so sánh để chọn giá trị lớn nhất trong M đầu ra này. Dữ liệu M mức đầu ra được đưa tới bộ giải điều chế để tái tạo lại tín hiệu dữ liệu nhị phân ban đầu 2.2.3 Hệ thống dịch thời gian Dịch thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH thì sự dịch chuyển tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH. Hình 2.13 là sơ đồ khối của hệ thống TH. Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH. TH có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát. Mã hoá nên được sử dụng một cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác. Do hệ thống TH có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn. Hình 2.13: Hệ thống TH đơn giản 2.2.3 Hệ thống lai HYBRID Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ thống. Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm (1) FH/DS, (2) TH/FH, (3) TH/DS. Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống không thể có được. Một mạch không cần phức tạp lắm có thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước. a.FH/DS Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển dịch một cách định kỳ. Phổ tần số của bộ điều chế được minh hoạ trên hình 2.10. Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH. Hệ thống tổng hợp FH/DS được sử dụng vì các lý do sau đây: 1. Dung lượng trải phổ2. Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán.3. Ghép kênh Hình 2.14: Phổ tần số của hệ thống tổng hợp FH/DS Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Ví dụ, trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu cầu một bộ toạ mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136 Mc/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5 KHz. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu một bộ tạo mã tức thời 114 Mc/s và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số. Bộ phát tổng hợp FH/DS như trên hình 2.14 thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế) không giống như bộ điều chế DS đơn giản. Nghĩa là, có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS. Hình 2.15: Bộ điều chế tổng hợp FH/DS Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh tần số nhất định. Nhìn chung thì tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ dịch tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã. Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu; bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được. Hình 2.15 miêu tả một bộ thu FH/DS điển hình. Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát trừ 2 điểm sau:1. Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian (IF).2. Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc. Hình 2.16: Bộ thu tổng hợp FH/DS Giá trị độ lợi sử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/DS có thể được tính bằng tổng của độ lợi sử lý của hai loại điều chế trải phổ đó. Gp(FH/DS) = Gp(FH) + Gp(DS) = 10log (số lượng các kênh) + 10log (BWDS/Rinfo) Do đó, giới hạn giao thoa trở nên lớn hơn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DS đơn giản. b. TH/FH Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Với số lượng việc xác định địa chỉ là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt. Khuynh hướng chung là tạo ra một hệ thống chuyển mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơ bản của hệ thống như là sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉ phân tán. Đó cũng là một hệ thống có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến khoảng cách. Như trên hình 2.17 ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định và máy phát ở đường thông khác hoạt động như là một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập. Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra nhiều vấn đề. Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ. Hình 2.17: Hệ thống thông tin 2 đườngvới các vấn đề liên quan đến khoảng cách Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu thu không thể loại trừ được chỉ với việc sử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhất định nên được xác định để tránh hiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thời điểm. c.TH/DS Nếu phương pháp ghép kênh theo mã không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu. Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối với sự tương quan mã giữa các đầu cuối của hệ thống DS, hệ thống TH được giải quyết cho trường hợp này. Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác mã tạo ra tại chỗ trong thời gian chip của mã PN. Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH-TDM vào hệ thống DS. Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/mở chuyển mạch có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản. Hình 2.18 minh hoạ bộ phát và bộ thu TH/DS. Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừ phần phía trước và một phần của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/mở của tín hiệu để nó truyền đi. Điều đó nhận được nhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch này được tạo một cách lặp lại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời gian. Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thứ nhất tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m. Khi chọn bậc (n-r) và tách tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai lần chu kỳ mã. Như ở trên thì n biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫu nhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên. Loại phân chia thực hiện trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sử dụng kênh để có nhiều truy nhập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diện ghép kênh theo mã đơn giản. Hình 2.18 Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS 2.3 Dãy mã giả tạp âm 2.3.1 Nguyên lý Mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN cần được tạo ra một cách độc lập ở nhiều vị trí (ví dụ giữa máy thu và máy phát, đó là các bản sao của nhau), cho nên mã trải phổ không thể hoàn toàn ngẫu nhiên, nó cần phải xác định được, nó là tín hiệu có chu kỳ xác định, có thể tính được một cách chính xác ở cả phía phát lẫn phía thu. Nhưng mặt khác, PN có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise - Tạp âm Gauss phổ đều cộng vào tín hiệu ), nó có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định, nghĩa là không thể thu và hiểu được đối với bất kỳ máy thu nào không thuộc phạm vi cuộc liên lạc. Như vậy mã trải phổ là dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (giả tạp âm trắng) được tạo ra đồng bộ để trải phổ ở máy phát và nén phổ tương ứng ở máy thu đối với phổ dữ liệu được truyền. Mã trải phổ còn được dùng để phân biệt các thuê bao khác nhau khi họ có cùng dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập CDMA. Hàm tự tương quan Ra() = Hàm tự tương quan biểu thị sự giống nha giữa tín hiệu với bản sao của nó bị trễ . Hàm tự tương quan chéo Rc = Như ta đã nói, mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MS chọn ra tín hiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA (cùng dùng chung tần số). Muốn vậy, mã trải phổ của các MS khác nhau có tương quan chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ. Điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau cũng nhỏ. Lý thuyết đã cho biết rằng các tín hiệu trải phổ trực giao bảo đảm tương quan chéo bằng 0. Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tế các bộ phát tương quan dãy PN ở cả máy phát và máy thu được dùng với tương quan chéo đủ nhỏ. Các dãy PN thường dùng nhất là: dãy độ dài cực đại (dãy m), dãy Gold, dãy Walsh. 2.3.2 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu không xác định được chính xác sự biến đổi tiếp theo của tín hiệu, mà chỉ có thể miêu tả bằng phương pháp thống kê. Khác với tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu giả ngẫu nhiên không hoàn toàn ngẫu nhiên. Nó là tín hiệu có chu kỳ xác định và có thể dự đoán trước cả ở phía thu và phía phát. Tuy nhiên, mặc dù là tín hiệu xác định, nhưng sự xuất hiện của nó lại có tính chất thống kê của tạp âm trắng. Với các đối tượng trái phép, sự xuất hiện của nó thực sự là ngẫu nhiên. Theo lý thuyết xác suất, Bernoulli chứng minh rằng một dãy nhị phân độc lập được coi là một dãy ngẫu nhiên khi nó đảm bảo 3 tính chất. Đó là: 2.3.2.1. Tính cân đối Trong mỗi chu kỳ của dãy, số con số 1 nhị phân và con số 0 khác nhau nhiều nhất là 1. 2.3.2.2 Tính chạy Một bước chạy được định nghĩa là dãy các bit cùng loại. Sự xuất hiện của một bit khác loại xem như bắt đầu một bước chạy mới. Độ dài của bước chạy là số bit trong bước chạy. Trong số bước chạy của một chu kỳ, để thoả mãn tính chạy, cần có 1/2 bước chạy có độ dài là một, 1/4 độ dài là 2, 1/8 độ dài là 3,... Tổng quát 1/2r là độ dài r. Với r n-1 và 1/2n-1 với r = n, trong đó n là số phần tử nhớ của bộ ghi dịch. 2.3.2.3 Tính tương quan Nếu so sánh từng bit trong một chu kỳ của dãy mã với bit tương ứng cùng vị trí của dãy mã đó nhưng được dịch đi một vị trí bất kỳ thì để đảm bảo tính tương quan, số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp nhau trênh lệch nhau không quá một. 2.3.3. Dãy ghi dịch Dãy ghi dịch ( dãy m - dãy có độ dài cực đại ) có sơ đồ như hình 6 . Trong sơ đồ này, có N flip flop D, được mắc thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp gồm các cổng XOR và các khoá gi . Sự lựa chọn giá trị N và các trạng thái nối thông hay hở mạch của gi làm cho thay đổi chiều dài và các đặc tính của dãy PN được tạo ra. Trong số đó, dãy có chiều dài là L = 2N - 1(L là số chip (cắt) và N là số flip flop D). Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi dãy các xung nhịp. Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch sang phần tử nhớ bên phải. 0 1 N N-2 N-1 g0 g1 gN-2 gN-1 gN D0 Q0 Q1 QN-2 QN-1 QN b(D) Hình 2.1 9. Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính (qua XOR) phát ra dãy m. Dưới đây là bảng giới thiệu số liệu về mạch hình 2.19. Số flip flop N Chiều dài dãy L = 2N - 1 Sốdãy S Hàm D0 Của dãy m 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 7 15 31 63 127 255 511 1023 2047 4095 8191 16383 32767 2 2 6 6 18 16 48 60 176 144 630 756 1800 Q1Q2 Q2Q3 Q2Q4 Q4Q5 Q5Q6 Q1Q2Q3Q7 Q4Q8 Q6Q9 Q8Q10 Q1Q9Q10Q11 Q0Q10Q11Q12 Q1Q11Q12Q13Q14 Một số dặc trưng của mã trải phổ dãy m: Tính cân đối: dãy một có 2N-1 - 1 số 0 và 2N-1 số 1 trong chu kỳ L. Tính dịch và cộng: Nếu cộng module 2 một dãy m tạo ra do chính nó đã dịch đi, thì được một dãy m dịch đi so với 2 dãy được cộng. Tính tự tương quan chu kỳ: nếu ta thay logic 0 của dãym bằng +1 và thay logic 1 của dãy m bằng -1, thì hàm tự tương quan chu kỳ là: Tính chạy: Một bước chạy là dãy các bit liên tiếp có cùng mức logic, độ dài của các bước chạy là số bit trong các bước chạy đó. Trong 1 chu kỳ của dãy m có 1/21 số bước chạy có độ dài bằng 1, 1/22 số bước chạy có độ dài bằng 2 và 1/23 số bước chạy có độ dài bằng 3 .... Ví dụ: Với mạch nguyên lý hình 17, ta thiết kế một dãy ghi dịch với 4 phần tử nhớ như sau: 0 1 3 2 Dãy mã ra Hình 2.20: Dãy ghi dịch 4 phần tử nhớ Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi các dãy xung nhịp. Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch được dịch một bit. Giả sử trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch là 1000. Khi đó trạng thái kế tiếp của thanh ghi sẽ là: 1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101 1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000 ..... Trạng thái cuối 1000 trùng với trạng thái ban đầu, tức là thanh ghi lặp lại sau 15 xung nhịp. Khi đó đầu ra bộ ghi dịch là: 000100110101111. Ta có thể chứng minh đây là một dãy mã giả tạp âm bằng cách kiểm tra 3 tính chất ngẫu nhiên của Bernoulli như sau: Tính cân đối: Số chữ số 0: N0 = 7. Số chữ số 1: N1 = 8. N1 - N0 = 1 , tức là thoả mãn tính cân đối. Tính chạy: Số bước chạy có độ dài là 1: R1 = 4. Số bước chạy có độ dài là 2: R2 = 2. Số bước chạy có độ dài là 3: R3 = 1. Số bước chạy có độ dài là 4: R4 = 1. Tức là thoả mãn tính chạy. Ta có bảng sau: Bước chạy Tỷ số Ri/R R1 4 1/2 R2 2 1/4 = 1/22 R3 1 1/8 = 1/23 R4 1 1/8 = 1/24-1 Tổng số (R) 8 Tính tương quan: Giả sử cho dãy mã dịch trái một vị trí, khi đó: Dịch Dãy m Cùng (A) Khác (D) A - D 0 1 2 3 4 ...... 000100110101111 001001101011110 010011010111100 100110101111000 001101011110001 15 7 7 7 7 0 8 8 8 8 15 -1 -1 -1 -1 Như vậy số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp trênh lệch nhau là 1, tức là thỏa mãn tính tương quan.--> dãy mã 000100110101111 được tạo ra từ bộ ghi dịch trên chính là dãy mã giả tạp âm. 2.3.4 Dãy Gold Dãy Gold là mã trải phổ dùng cho CDMA, hàm tương quan chéo giữa hai dãy Gold bất kỳ khá nhỏ, hàm tương quan chéo lấy 1 trong 3 giá trị sau: N lẻ N chẵn với 1 *[r(N)-2] - 0 Hình 2. 21. Hàm tự tương quan của một dãy Gold. Dãy Gold là kết quả cộng module 2 đối với hai dãy m được định thời bằng cùng tốc độ chip fc . Trong việc thiết kế mạch tạo dãy Gold cho CDMA, điều quan trọng nhất là chọn đúng cặp dãy một (cặp phù hợp có ba giá trị hàm tương quan như trên hình 8 ). Sơ đồ mạch tạo mã Gold đơn giản, và tạo ra được số lượng lớn dãy Gold cung cấp cho các MS trong mạng CDMA. Như hình vẽ sau: 1 5 2 3 4 6 7 8 9 1 5 2 3 4 6 7 8 9 h(x) = x9+x4+1 h(x) = x9+x7+x6+x4+x3+x+1 Hình 2. 22 Mạch tạo dãy Gold (trường hợp 511 chip) 2.3.5 Hàm tự tương quan giả tạp âm: Từ phần trước ta đã đề cập đến hàm tự tương quan giả tạp âm, ở phần này ta nghiên cứu một cách chi tiết hơn. Hàm tự tương quan Rx() của tín hiệu ngẫu nhiên tuần hoàn x() với chu kỳ T0 = PTc , trong đó P là chu kỳ lặp của dãy mã, Tc là thời gian tồn tại của một chip, tính theo công thức: Rx() = Trong đó To = PTc = (2n - 1) , Tc , x(t) là tín hiệu xung hình chữ nhật, biên độ đơn vị [-1, +1]. Do đó: R() = Trong đó dấu * chỉ phép tích chập. với với q() = Đồ thị hàm tự tương quan Rx() như hình vẽ sau: -Tc Tc 0 T0 = PTc Rx(Tc) = -1/P 1 Rx() Hình 2.23 Hàm tự tương quan Từ đồ thị, trong một chu kỳ T0 , có nhận xét là hàm tự tương quan giữa tín hiệu trải phổ và tín hiệu đó dịch đi một khoảng ít nhất là Tc đã cho Rx() = -1/P0 nếu như P khá lớn. Nghĩa là hai tín hiệu gần như không tương quan nhau. Khi = 0, tức là x(t) và bản sao của nó trùng nhau thì Rx()max = 1. Cũng có thể kiểm chứng điều này bằng cách sử dụng công thức hàm tự tương quan cho tín hiệu rời rạc x(k) (lúc này coi tín hiệu như là dãy rời rạc). Khi đó hàm tự tương quan R() = x(k) là dãy xung rời rạc biên độ đơn vị [-1, +1]. Tại = Tc , ta có: R(Tc) = = [Số hạng phù hợp - Số hạng không phù hợp] Hay R(Tc) = - Tại = 0 , ta có: R(0) = = = 1. Như vậy các kết quả tính toán cũng phù hợp với đồ thị trên. chương III hệ thống thông tin di động cdma 3.1 Mở đầu ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, những thị trường di động chính như NewYork, Los Angeles và Chicago đã phát sinh những vấn đề về lưu lượng. Chính vì vậy Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được TIA ( Telecomunications Industry Association – Liên hiệp công nghiệp viễn thông) ký hiệu là IS-54 . Cuối những năm 1980 mọi việc trở nên rõ ràng là IS-54 đã gây thất vọng. Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hơn. Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA. AT&T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA. Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới IS-136, còn gọi là AMPS số (D-AMPS). Tình trạng trên đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Công nghệ này trước đó đã có các ứng._.Các kênh vật lý chung đường xuống( các kênh mào đầu và điều khiển) Kênh hoa tiêu đường xuống F-PICH Kênh tìm gọi đường xuống F-PCH Kênh đồng bộ đường xuống F-SYNC Kênh điều khiển chung đường xuống F-CCCH Kênh tìm gọi nhanh đường xuống F-QPCH Kênh hoa tiêu phân tập phát đường xuống F-TDPICH Kêh hoa tiêu phân tập phát phụ đường xuống F-ATDPICH Kênh điều khiển công suất chung đường xuống F-CPCCH Kênh ấn định chung đường xuống F-CACH Kênh quảng bá đường xuống F-BCH Các kênh vật lý dành riêng đường xuống Kênh hoa tiêu phụ dành riêng đường xuống F-DAPICH Kênh điều khiển dành riêng đường xuống F-DCCH Các kênh lưu lượng đường xuống: Cơ bản Bổ sung Mã bổ sung F-FCH F-SCH F-SCCH Hình 4.11 Các kênh đường xuống Lớp vật lý CDMA 2000 có sáu loại kênh riêng đường xuống: F-FCH: kênh cơ bản đường xuống. F-DCCH: kênh điều khiển dành riêng đường xuống. F-SCH: kênh bổ sung đường xuống. F-SCCH: kênh mã bổ sung đường xuống. F-CPCCH: kênh điều khiển công suất chung đường xuống. F-DAPICH: kênh hoa tiêu phụ dành riêng đường xuống. Kênh lưu lượng đườn xuống (F-TCH) cung cấp đặc tính lớp vật lý khác nhau( tốc độ trải phổ, điều chế kênh, tốc độ mã hoá, độ dài hàm Walsh và tập hợp các tốc độ phát). Các đặc tính này được biểu thị bởi tham số gọi là cấu hình vô tuyến(RC). Tham số này nhận dạng duy nhất các đặc tính lớp vật lý F-TCH. Bảng sau chỉ ra cấu hình vô tuyến đường xuống và tốc độ phát tương ứng trên kênh F-TCH. Loại kênh Tốc độ số liệu(kbps),FEC ,RC SR1 SR3 Kênh đồng bộ F-SYNH 1.2; mã chập,r=1/2 1.2; mã chập,r=1/3 Kênh nhắn tin F-PCH 9.6 hoặc 4.8 mã chập, r=1/2 Kênh quảng bá F-BCH 19.2 (ke 40ms) 9.6 (khe 80ms) hoặc 4.8 (khe 160 ms) mã chập,r=1/2 19.2 (ke 40ms) 9.6 (khe 80ms) hoặc 4.8 (khe 160 ms) mã chập,r=1/3 Kênh nhắn tin nhanh Q-PCH 4.8 hoặc 2.4 4.8 hoặc 2.4(MC) Kênh điều khiển công suất chung F-CPCCH 9.6 14.4 Kênh ấn định chung F-CACH 38.4(khung 5-10 hoặc 20ms) 19.2(khung 10 hoặc 20m s) mã chập, r=1/4 hoặc 1/2 38.4(khung 5-10 hoặc 20ms) 19.2(khung 20 ms) mã chập, r=1/3 Kênh điều khiển dành riêng đường xuống F-DCCH 9.6 (RC3 hoặc RC4) 14.4 (khung 20ms) hoặc 9.6(khung 5 ms) (RC5); mã chập r=1/4(RC3 hoặc RC5) r=1/2 (RC4) 9.6 (RC6 hoặc RC7) 14.4 (khung 20ms) hoặc 9.6(khung 5 ms) (RC8 hoặc RC9); mã chập r=1/6(RC6) r=1/3(RC7) r=1/4(RC8,20ms) r=1/3(RC8,5ms) r=1/2(RC9,20ms) r=1/3(RC9,5ms) Hinh 4.12 Các loại kênhđường xuống ứng với tốc độ trải phổ SR1 và SR3 RC1 và RC2 cung cấp khả năng tương thích 3G 1x với 2G cho nên một ô phục vụ cho máy di động 3G 1x cũng có thể phục vụ cho máy di động 2G. RC3, RC4 và RC5 hỗ trợ cho công nghệ 2G. RC3 có bộ giải mã mạnh hơn RC4 và yêu cầu Eb/Nt thấp hơn nên tăng dung lượng thoại đường xuống. Tuy nhiên,RC4 cung cấp gấp đôi số lượng mã Walsh so với RC3. Với ứng dụng thoại, RC3 và RC4 cung cấp công nghệ 3G cho bộ mã hoá tiếng 8 kbps và RC5 hỗ trợ bộ mã hoá tiếng 13kbps. Các loại kênh trên liên kết đường xuống SR1 và SR3 được cho bởi bảng sau: Loại kênh Số kênh tối đa SR1 SR3 Kênh hoa tiêu chung đường xuống F-PICH 1 1 Kênh hoa tiêu phân tập phát đường xuống F-TDPCIH 1 1 Kênh hoa tiêu phân tập phát phụ đường xuống F-ATDPICH - - Kênh hoa tiêu phụ đường xuống F-APICH - - Kênh đồng bộ đường xuống F-SYNCH 1 1 Kênh nhắn tin đường xuống F-PCH 7 0 Kênh quảng bá đường xuống F-BCH - - Kênh nhắn tin nhanh đường xuống F-QPCH 3 3 Kênh điều khiển công suất cung đường xuống F-CPCCH 7 7 Kênh ấn định chung đường xuống F-CACH 7 7 Kênh điều khiển chung đường xuống F-CCCH 7 7 Kênh điều khiển dành riêng đường xuống F-DCCH 1* 1* Kênh cơ bản đường xuống F-FCH 1* 1* Kênh mã bổ sung đường xuống F-SCCH (chỉ có RC1 và RC2) 7* 0 Kênh bổ sung đường xuống F-SCH (chỉ có RC3 và RC5) 2* 2* (* ứng với mỗi kênh đường xuống) Hình 4.13 Các loại kênh đường xuống ứng với tốc độ trải phổ SR1 và SR3 4.4.4 Các đặc điểm đường xuống: Đường xuống có tốc độ chip N*1.2288 Mcps trong đó N=1,3,6,9,12).N=1 thì trải phổ tương tự IS-95B sử dụng điều chế QPSK và điều khiển công suất vòng kín nhanh. Với N>1 thì sử dụng tùy chọn đa sóng mang.Phương pháp đa sóng mang 1.25MHz riêng (N=3,6,9,12). Mỗi sóng mang được trải phổ ở tốc độ 1.2288Mcps. 4.4.4.1 phân tập phát Sử dụng phân tập phát có thể làm giảm Eb/Nt yêu cầu(hoặc giảm công suất phát trên mỗi kênh) do đó tăng dung lượng của hệ thống. Phân tập phát co thể thuẹc hiện theo những cách sau: a. Phân tập phát sóng mang: có thể được thực hiện ở đường xuống đa sóng mang mà không có va chạm tại đầu cuối thuê bao, trong một tập con các sóng mang được phát trên một an ten. Đặc điểm chính của phương pháp đa sóng mang là: Các ký hiệu thông tin đã mã hoá được phân ra trên nhiều sóng mang 1,25 MHz. Phân tập tần số tương ứng với trải phổ tín hiệu trên toàn bộ băng tần Cả phân tập thời gian và tần số đều sử dụng bộ mã xoắn/ bộ lặp và đan xen. Máy thu RAKE thu năng lượng tín hiệu trên tất cả các băng tần. Điều khiển công suất nhanh. ở máy phát đa sóng mang 3*1.25MHz, chuỗi các ký hiệu mã hoá với sóng mang song song, mỗi luồng được trải phổ bằng một mã Walsh và một chuỗi mã giả ngẫu nhiên(PN) dài ở tốc độ 1,2288 Mcps. Tại đầu ra của máy phát có 3 sóng mang A, B, C (hình 4.14). Sau khi xử lý chuỗi các ký hiệu đã mã hoá với các sóng mang song song, các sóng mang sẽ được phát bởi nhiều anten nên gọi là phân tập phát đa sóng mang(MCTD). Trong MCTD, toàn bộ sóng mang được phân thành các tập con, mỗi tập con sóng mang được phát trên một anten, trong đó lọc tần số cung cấp tính trực giao gần như hoàn hảo giữa các anten. Điều này làm cải thiện phân tập tần số và do đó cũng tăng dung lượng đường xuống. b. Phân tập phát trải phổ trực tiếp: phân tập phát trực giao(OTD) được sử dụng để có thể được phân tập phát trải phổ trực tiếp( N=1). Các bit đã được mã hoá được tách ra thành hai luồng số liệu và phát qua anten riêng. Mỗi anten sử dụng một mã trực giao khác nhau để trải phổ. Điều này sẽ đảm bảo tính trực giao giữa 2 luồng số liệu ra và vì vậy nhiễu nội được loại khỏi fading phẳng. Hình 4.14 Máy phát đa sóng mang 3x 1.25 MHz 4.4.4.2: Điều chế trực giao Để giảm hoặc loại bỏ nhiễu nội ô mỗi kênh vật lý đường xuống được điều chế bởi mã Walsh. Để tăng số lượng mã Walsh có thể sử dụng thì thường điều chế QPSK trước khi trải phổ. Cứ hai bit thông tin được sắp xếp vào một ký hiệu QPSK. Do đó số lượng mã Walsh tăng gấp đôi so với ding BPSK(trước trải phổ). Độ dài mã Walsh thay đổi để đạt được các tốc độ bit thông tin khác nhau. Đường xuống có thể bị giới hạn do nhiễu giao thoa hoặc giới hạn do mã Walsh tuỳ thuộc vào môi trường khai thác và triển khai đặc thù. Khi xuất hiện giới hạn mã Walsh, có thể tạo thêm mã bằng cách nhân mã Walsh với hàm mặt nạ. Các mã được tạo ra theo cách này gọi là các hàm gần trực giao( không hoàn toàn trực giao). 4.4.4.3: Điều khiển công suất đường xuống. Điều khiển công suất đường xuống ở CDMA 2000 cơ bản là khác so với IS-95. Mục tiêu chính của nó là để tăng dung lượng cuộc gọi ở đường xuống bằng sự cải tiến sau: Điều khiển công suất đường xuống tốc độ cao. Điều khiển công suất vòng kín với đáp ứng thời gian nhanh Các bước điều khiển công suất thay đổi và được điều khiển bởi BS. Thuật toán điều khiển công suất nhanh đường xuống mơi(FFPC) ở đường xuống và điều khiển công suất cho các kênh F-FCH, F-SCH được sử dụng trong CDMA 2000. Các tiêu chuẩn chỉ rõ điều khiển công suất nhanh vòng kín hoạt động ở 800 Hz. Hai sơ đồ điều khiển công suất cho F-FCH và F-SCH được đề xuất: Điều khiển công suât kênh đơn: Cách này dựa trên hoạt động của kênh nào tốc độ cao hơn giữa F-FCH và F-SCH. Độ khuếch đại thiết lập cho kênh tốc độ thấp hơn được xác định dựa trên sự tương quan của nó vói kênh tốc độ cao hơn. Điều khiển công suất độc lập: trong trường hợp này, độ khuếch đại cho F-FCH và F-SCH được xác định riêng. MS thực hiện hai thuật toán vòng ngoài riêng và gửi hai lỗi bit đường xuống tới BS. 4.4.5 Các kênh vật lý đường lên Các kênh vật lý đường lên bao gồm các kênh riêng để mang thông tin từ MS đến BS và các kênh chung để mang thông tin từ nhiều MS đến BS. Cấu trúc của các kênh đường lên CDMA 2000 được cho như hình Các kênh vật lý đuờng lên bao gồm các kênh riêng để mang thông tin từ một MS đến BS và các kênh chung để mang thông tin từ nhiều MS đến BS. Có 6 cấu hình vô tuyến (RC) cho các kênh lưu lượng đường lên. Một MS thường hoạt động trong cấu hình RC1,RC3 hoặc RC5. Nó có thể hoạt động trong các cấu hình RC2, RC4 hoặc RC6. MS hoạt động trong cấu hình RC2 hỗ trợ RC1. MS hoạt động trong cấu hình RC4 hỗ trợ RC3. MS hoạt động cấu hình RC6 hỗ trợ RC5. Một MS không sử dụng RC1 hoặc RC2 đồng thời với RC3 hoặc RC4 trên các kênh lưu lượng đường lên. Bảng sau liệt kê các kênh vật lý đường lên: Các kênh vật lý Ký hiệu kênh Kênh vật lý chung đường lên Kênh truy nhập đường lên R-ACH Kênh truy nhập tăng cường đường lên R-EACH Kênh điều khiển chung đường lên(Chỉ 9.6 kbps) R-CCCH Kênh vật lý dành riêng đường xuống Kênh lưu lượng đường lên: Cơ bản Bổ sung Mã bổ sung R-FCH R-SCH R-SCCH * Kênh hoa tiêu đường lên(R-PICH) Kênh hoa tiêu là một tín hiệu trải phổ không điều chế dùng để giúp BS phát hiện một MS đang phát. R-PICH được sử dụng để bắt ban đầu, theo dõi thời gian, khôi phục tham khảo cho mày thu RAKE nhất quán và đo điều khiển công suất. * kênh con điều khiển công suất đường lên Kênh này cung cấp thông tin về chất lượng của đường xuống kênh lưu lượng đường xuống với tốc độ 1 bit trên m ỗi nhóm điều khiển công suất 1.25ms và được các kênh đường xuống sử dụng để điều khiển công suất của chúng. * Kênh truy nhập đường lên(R-ACH) MS sử dụng kênh này để thiết lập thông tin với BS để trả lời các bản tin PCH. * Kênh truy nhập tăng cường đường lên(EACH) MS sử dụng kênh này để khởi tạo thông tin với BS để trả lời các bản tin trực tiếp với MS. * Kênh điều khiển chung đường lên(R-CCCH) R-CCCH được sử dụng để phát các thông tin báo hiệu hoặc thông tin của người sử dụng tới BS khi T-TCH không sử dụng. * Kênh điều khiển riêng đường lên(R-DCCH) R-DCCH dùng để truyền các thông tin báo hiệu và của người sử dụng tới BS trong suốt cuộc gọi. * Kênh cơ bản đường lên(R-FCH) * Kênh bổ sung đường lên(R-SCH) 4.4.6 Đặc điểm kênh vật lý đường lên Dạng sóng liên tục: hoa tiêu liên tục và dạng sóng kênh số liệu liên tục được sử dụng cho tất cả các tốc độ số liệu. Dạng sóng liên tục tối thiểu hoá nhiễu giao thoa, cho phép tăng tầm phủ sóng ở tốc độ truyền dẫn thấp hơn và còn cho phép đan xen được thực hiện trên toàn bộ khung. BS sử dụng đa tia để tìm kiếm đa tia, bám, giải điều chế nhất quán cũng như để đo chất lượng của đường truyền để điều khiển công suất. Vì vậy độ tương quan của kênh hoa tiêu và các kênh số liệu vật lý có thể dễ dàng điều chỉnh mà không cần thay đổi cấu trúc khung hay mức công suất của một số ký hiệu trong khung. Trải phổ trực giao với chuỗi Walsh có độ dài khác nhau: MS sử dụng trải phổ trực gia khi phát trên kênh R-PICH, EACH, R-CCH hay RC3 -> RC5. Bảng sau chỉ rõ các hàm Wash được sử dụng cho các kênh đường lên: Loại kênh Hàm Walsh R-PICH EACH R-CCCH R-DCCH R-FCH R-SCH1 hoặc R-SCH2 hoặc ký hiệu cho hàm Walsh có độ dài N và được cấu tạo từ hàng m của ma trận Hadamard NxN với hàm 0 là Walsh 0 () hàm 1 là Walsh 1… Trong hàm Walsh m , các chip được phát từ chip m của hàng từ trái sang phải. Chuỗi trải phổ hàm Walsh được lắp với chu kỳ N/1,2288us cho SR3. Thích ứng tốc độ: Có vài phương pháp thích ứng tốc độ số liệu với tốc đọ trải phổ bằng hàm Walsh. Các phương pháp này bao gồm điều chỉnh tốc độ bằng cách chích bỏ ký hiệu và chuỗi lặp. Phương pháp thiết kế là: đầu tiên sử dụng tốc độ thấp, nhưng không giảm tỷ lệ mã dưới r=1/4 vì độ lợi của tốc độ thấp hơn sẽ rất khó và sẽ tăng đáng kể độ phức tạp khi thực hiện bộ giải mã. Các búp sóng phụ ở phia phổ tần thấp: Hệ thống CDMA 2000 đạt được các búp phụ phổ tần thấp với bộ khuếch đại công suất MS không lý tưởng bằng cách phân chia kênh vật lý đường lên thành hai kênh I và kênh Q sử dụng trải phổ PN bằng cách nhân phức. Các kênh số liệu độc lập: Hai loại kênh số liệu vật lý(R-FCH và R-SCH) được sử dụng ở đường lên để có thể thích ứng với các dịch vụ đặc biệt. Việc sử dụng R-FCH và R-SCH cho phép hệ thống có thể tối ưu hoá cho các dịch vụ hoạt động đồng thời. Các kênh này được mã hoá và đan xen riêng, có thể có các mức công suất phát và có các điểm đặt FER (tỷ lệ lỗi khung cho phép) khác nhau. Điều khiển công suât đường lên có 3 thành phần điều khiển công suất đừơng lên: vòng hở, vòng kín và vòng ngoài: Điều khiển công suất vòng hở thiết lập công suất phát trên cơ sở công suất thu được ở MS. Điều khiển công suất vòng hở bù trừ suy hao đường truyền từ MS đến BS và xử lý nhanh fading rất chậm. Điều khiển công suất vòng kín bao gồm một vòng hồi tiếp 800bit/s từ BS đến MS để thiết lập công suất phát ở MS. Điều khiển công suất vòng kín bù trừ fading từ trung bình đến nhanh và sự thiếu chính xác khi điều khiển công suất vòng hở. Điều khiển công suất vòng ngoài được thực hiện đặc biệt để điều chỉnh ngưỡng công suất ở Bs để duy trì FER mong muốn. 4.4.7 Sắp xếp kênh logic lên kênh vật lý Sự sắp xếp kênh logic lên kênh vật lý không tương ứng một-một mà theo cách nhiều kênh logic từ nhiều dịch vụ khác nhau được sắp xếp lên một kênh vật lý. Việc ghép kênh này được thực hiện tại PLCDF và phân lớp QoS. Hình dưới chỉ ra cấu trúc kênh mô phỏng theo dịch vụ mang cho các dịch vụ kênh và gói. Hình 4.16 Cấu trúc kênh mô phỏng theo dịch vụ mạng 4.4.7.1Các kênh đường xuống Kênh riêng đường xuống: sự sắp xếp của kênh logic lên kênh vật lý được cho trong bảng 4.17 . Bảng này chỉ ra thuộc tính của mỗi kênh vật lý chẳng hạn như tốc độ cố định hoặc thay đổi, cỡ khung của kênh vật lý và khả năng chia xẻ kênh. Các dịch vụ thoại: Chế độ V1 không sử dụng F-SCH và F-DCCH. Trong chế độ này, báo hiệu lớp cao hơn(f-dsch), các khung thoại(f-dtch) và thông tin điều khiển công suất được ghép kênh trên kênh F-FCH. Trong chế độ này F-FCH duy trì phát triển liên tục ở đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài. Sử dụng chế độ V2 để cung cấp dịch vụ chất lượng thoại cao hơn bằng cách phát các khung báo hiệu lớp cao hơn trên F-DCCH. Trong chế độ này, F-FCH duy trì tính liên tục của đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài. Các dịch vụ số liệu gói: (chế độ P1) được cung cấp ở đường xuống nhờ sử dụng các kênh F-FCH và F-SCH. Các bản tin báo hiêu lớp cao hơn (f-dsch), bản tin MAC (f-dmch) và các khung số liệu của người sử dụng(f-dtch) được ghép kênh theo thời gian vào kênh F-FCH. Trong chế độ này, điều khiển truy nhập phương tiện được thực hiện tập trung vì các bản MAC được phát trên F-FCH mà kênh này thường sử dụng trong chuyển giao mềm để đảm bảo độ tin cậy khi phân phát số liệu cho các bản tin báo hiệu lớp cao hơn. Trong chế độ này thường sử dụng các khung 5ms để mang các bản tin MAC ngắn. F-SCH mang các khung RLP tốc độ cao chứa số liệu gói và việc phát trên F-SCH luôn được thực hiện theo kế hoạch ở chế độ này. Các khung RLP tốc độ thấp có thể được tải trên F-FCH. Trong chế độ này F-FCH duy trì tính liên tục của đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài. Chế độ P3 là các dịch vụ số liệu luân phiên , nó tương tự như chế độ P1 ở chỗ các bản tin báo hiệu lớp cao hơn (f-dsch), các bản tin MAC(f-dmch) và các khung số liệu của người sử dụng( f-dtch) được ghếp kênh theo thời gian trên một kênh vật lý.Tuy nhiên kênh vật lý này là F-DCCH (không phải F-FCH), nó có thể chuyển giao mềm (soft handoff) hoặc không. Vì vậy có thể thực hiện điều khiển MAC theo cách tập trung hoặc phân tán. Để đảm bảo việc trộn báo hiệu với các khung RLP hay các thông tin báo hiệu lớp cao hơn, FDCCH có thể hoạt động theo hai cỡ khung đồng thời(5ms và 20 ms). F-SCH mang các khung RLP đã được lập thời biểu ở tốc độ cao có chứa số liệu gói cũng như các khung RLP tốc độ thấp hơn. Tốc độ của các khung tốc độ thấp hơn trên kênh F-SCH có thể được xác định một cách linh động, nhưng tốc độ phát của các khung hoạt động theo thời biểu tốc độ cao trên F-SCH phải được xác định từ trước nhờ sử dụng bản tin MAC. F-DCCH duy trì tính liên tục của đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài, do đó trong chế độ này F-DCCH không thể dùng chung. Chế độ P3 được sử dụng để tối ưu hoá các dịch vụ gói với khả năng hỗ trợ điều khiển lớp MAC một cách phân tán (tức là kênh vật lý mang f-dmch có thể hoạt động với một tập tích cực đã được giảm xuống trong khi thông tin báo hiệu lớp cao hơn được mang tên kênh vật lý với một tập tích cực đầy đủ). Trong chế độ này, F-FCH chủ yếu được sử dụng để phát các bản tin lớp cao hơn với độ trễ thấp, độ tin cậy cao. F-FCH sẽ mang bit thông tin điều khiển công suất, có thể dùng chung F-DCCH để sử dụng nguồn mã Walsh hiệu quả hơn. F-DCCH mang báo hiệu MAC(f-dmch) và có thể không chuyển giao mềm( soft handoff).Có thể thực hiện điều khiển lớp MAC theo cách tập trung hoặc phân tán. Trong chế độ này, F-SCH mang khung RLP tốc độ cao có chứa số liệu gói và phát trên kênh F-SCH luôn được lập biểu. Tốc độ phát của F-SCH được xác định trước nhờ sử dụng các bản tin MAC. Các khung RLP tốc độ thấp hơn có thể được mang trên F-FCH. Trong chế độ này, F-FCH duy trì tính liên tục của đường lên và điều khiển công suất vòng ngoài. Các dịch vụ thoại và gói đồng thời. Chế độ VP1 cung cấp các dịch vụ số liệu thoại và gói đồng thời bằng cách ghép các kênh báo hiệu lớp cao hơn (f-dsch) các bản tin MAC (f-dmch), các khung thoại (f-dtch) và các khung RLP tốc độ thấp (d-dtch) trên kênh vật lý F-FCH. Điều khiển lớp MAC được thực hiện theo cách tập trung. Để hỗ trợ việc trộn báo hiệu MAC với các khung RPL hoặc các thông tin báo hiệu lớp cao hơn, F-FCH có thể hoạt động theo hai cỡ khung đồng thời (5 và 20 ms). Trong chế độ này, F-SCH mang các khung RLP tốc độ cao có chứa số liệu gói và phát trên kênh F-SCH luôn được lập lịch . F-FCH sẽ duy trì tính liên tục của đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài. Chế độ VP2 cũng cung cấp dịch vụ số liệu thoại và gói đồng thời. Để cung cấp dịch vụ thoại kết hợp dịch vụ số liệu gói có chất lượng cao hơn, các bản tin MAC (f-dmch) báo hiệu lớp cao hơn(f-dsch) được mang tên F-DCCH. Điều khiển lớp MAC có thể thực hiện theo cách phân tán( nêú F-DCCH không được chuyển giao mềm). F-FCH sẽ mang các bit điều khiển công suất. F-DCCh có thể được dùng chung để sử dụng nguồn mã Walsh hiệu quả hơn. Để hỗ trợ việc xáo trộn báo hiệu lớp MAC với các khung RLP hoặc thông tin báo hiệu lớp cao hơn, F-DCCH có thể hoạt động ở 2 cỡ khung đồng thời 5 và 20ms. F-SCH mang các khung RLP được lập thời biểu ở tốc độ cao có chưa số liệu gói cũng như các khung RLPcó tốc độ thấp hơn. Các khung RLP có thể được phát trên kênh F-SCH để tránh khả năng tranh chấp giữa các khung RLP tốc độ thấp và các khung thoại trên kênh F-FCH. F-FCH sẽ duy trì tính liên tục của đường xuống và điều khiển công suất vòng ngoài. Các kênh chung đường xuống. Khi cả F-DCCH và F-FCH đều không được ấn định cho MS hoặc F-PCH hoặc F-CCCH sẽ được sử dụng để mang báo hiệu lớp cao hơn và các bản tin MAC tới MS. Các bản tin phát trên kênh này phải được mã hoá và phải bao gồm ID của trạm di động MS hoặc nhận dạng của dịch vụ gói và cả hai kênh F-PCH và F-CCH đều là kênh điểm-tới-đa điểm tức là không có sự tương ứng một-một giữa ID của kênh này với ID của MS. Ngoài các thông tin điều khiển (các báo hiệu lớp cao hơn hoặc báo hiệu lớp MAC), các cụm số liệu ngắn (SBD) cũng có thể được phát trên F-PCH hoặc F-CCCH. Bảng sau đây chỉ ra sự sắp xếp của kênh logic chugn đường xuống lên các kênh vật lý chung đường xuống. Các kênh vật lý đường xuống Các kênh logic đường xuống Mô tả Kênh điều khiển chung (F-CCCH) hoặc kênh nhắn tin (F-PCH) f-cssh Các bản tin báo hiệu lơp trên f-ctch Các khung RBP f-cmch Các bản tin điều khiển truy nhập phương tiện Kênh hoa tiêu chung - Hoa tiêu chung Kênh hoa tiêu phụ - Hoa tiêu phụ Kênh đồng bộ - Thông tin kênh đồng bộ Hình 4.17 Ghép các kênh logic chung đường xuống vào các kênh vật lý chung đường xuống 4.4.7.2. các kênh đường lên các kênh riêng đường lên: Sự săp xếp của các kênh logic lên kênh vật lý đường lên được cho trong bảng dưới đây. Bảng này chỉ ra thuộc tính của mỗi kênh vật lý chẳng hạn như tốc độ cố định hoặc thay đổi, cỡ khung của kênh vật lý. Các dịch vụ thoại. Chế độ V1 không sử dụng kênh R-SCH và R-DCCH. Trong chế độ này, báo hiệu lớp cao hơn (r-dsch), khung thoai(r-dtch) và thông tin điều khiển công suất được ghép kênh vào R-FCH. Chế độ V2 cung cấp dịch vụ thoại chât lượng cao nhờ sử dụng phát các khung báo hiệu lớp cao hơn kênh R-DCCH. Tuy nhiên, nếu MS không cung cấp đủ công suất để phát trên R-DCCH thì thông tin báo hiệu lớp cao hơn có thể phát trên kênh R-FCH. Các dịch vụ gói: Chế độ P1 được cung cấp trên đường lên nhờ sử dụng kênh R-FCH và R-SCH. Các bản tin báo hiệu lớp cao hơn(r-dsch), các bản tin điều khiển truy nhập phương tiện(r-dmch), các khung số liệu của người sử dụng(r-dtch) được ghép kênh theo thời gian vào kênh R-FCH. Để hỗ trợ việc trộn báo hiệu điều khiển truy nhập phương tiện với các khung RLP hoặc thông tin báo hiệu lớp cao hơn, R-FCH có thể hoạt động thoe 2 cỡ khung 5 và 20ms. R-SCH mang các khung RLP tốc độ cao chứa số liệu gói, việc phát trên kênh nay luôn được lập thời biểu. Các khung RLP tốc độ thấp hơn được phát trên kênh R-FCH. Trong chế độ P2, các bản tin báo hiệu lớp cao hơn(r-dsch), các bản tin điều khiển truy nhập phương tiện(r-dmch), các khung số liệu cảu người sử dụng(r-dtch) được ghép kênh theo thời gian vào kênh R-DCCH. Để hỗ trợ việc trộn báo hiệu điều khiển truy nhập phương tiện hoặc thông tin báo hiệu lớp cao hơn, R-FCH có thể hoạt động thoe hai cỡ khung. R-SCH mang các khung RLP tốc độ cao đã được lập thòi biểu có chứa số liệu cũng như các khung RLP tốc độ thấp hơn. R-FCH chủ yếu được sử dụng để mang các bản tin báo hiệu của lớp cao hơn cũng như thông tin điều khiển công suất với độ trễ thấp và độ tin cậy cao.R-DCCH mang báo hiệu điều khiển truy nhập phương tiện(r-dmch). R-SCH mang các khung RLP tốc đọ cao có chứa số liệu gói và việc phát trên kênh này luôn được lập biểu. Có thể phát các khung tốc độ thấp hơn trên kênh R-FCH. Dịch vụ số liệu thoại và gói đồng thời Chế độ VP1 cung cấp dịch vụ số liệu thoại và gói đồng thời ghép các báo hiệu lớp cao hơn(r-dsch), các bản tin điều khiển truy nhập phương tiên, các khung thoại (r-dtch), và có thể các khung tốc độ thấp (r-dtch) vào các kênh R-FCH. Để hỗ trợ việc trộn báo hiệu điều khiển truy nhập phương tiện với các khung RLP hoặc thông tin báo hiệu lớp cao hơn, R-FCH có thể hoạt động theo 2 cỡ khung 5 và20ms. Trong chế độ này, R-SCH mang các khung RLP tốc độ cao chứa số liệu gói, và việc phát trên kênh này luôn được lập biểu. Trong chế độ VP2, các bản tin điều khiển truy nhập phương tiện (r-dmch) và có thể cả thông tin báo hiệu của lớp cao hơn được phát trên kênh R-DCCH.Tuy nhiên nếu MS không cung cấp đủ công suất để phát trên kênh R-DCCH thì thông tin báo hiệu của lớp cao có thể được phát trên kênh R-FCH. Để hỗ trợ việc trộn báo hiệu lớp cao hơn, R-FCH có thể hoạt động trên 2 cỡ khung 5 và 20ms. R-SCH mang các khung RLP tốc độ cao đã được lập thời biểu có chứa số liệu gói cũng như các khung RLP tốc độ thấp hơn. Có thể phát các khung RLP tốc độ thấp trên kênh R-SCH để tránh khả năng va chạm giữa cá khung thoại và các khung RLP tốc độ thấp trên R-FCH. Các kênh chung đường lên Khi cả kênh R-DCCH và R-ACH không ấn định cho MS(trong trạng thái treo hay nghỉ) thì R-ACH hoặc R-CCCH sẽ được sử dụng để vận chuyển các bản tin báo hiệu của lớp cao hơn và các bản tin điều khiển truy nhâp phương tiện. Các bản tin phát trên kênh này có thể được mật mã hoá và phải kem theo ID của máy di động(MS) hoặc nhận của dịch vụ gói thì không có sự tương ứng một-một giữa nhận dạng của kênh R-ACH và kênh R-CCCH với ID của MS. Ngoài các thông tin điều khiển (báo hiệu của lớp cao hơn và lớp điều khiển truy nhập phương tiện), các cụm số liệu ngắn cũng có thể được phát trên R-ACH hoặc R-CCCH. Bảng dưới đây chỉ sự sắp xếp của các kênh logic chung đường lên vào các kênh vật lý chung đường lên: Các kênh vật lý đường lên Các kênh logic đường lên Mô tả Kênh truy nhập chung (R-CCH) hoặc kênh truy nhập (R-ACH) r-csch Các bản tin báo hiệu lớp trên r-csch* Các khung RBP r-cmch Các bản tin điều khiển truy nhập phương tiện Hoa tiêu - Hoa tiêu Pc Các bit điều khiển công suất Hình 4.18 Ghép các kênh logic đường lên vào các kênh vật lý đường lên chương v xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động sau 3G 5.1: Những hạn chế của hệ thống 3G và những yếu tố thúc đẩy 4G Mạng 3G tạo ra bước tiến triển lớn trong sự tiến triển của thông tin di động cá nhân. Trên thực tế, mạng 3G có khả năng hỗ trợ lại hình dịch vụ internet di động đa phương tiện với chất lượng dịch vụ cải thiện đáng kể so với hệ thống 2,5G. Giao diện vô tuyến WCDMA được thiết kế để hỗ trợ vùng phủ cải thiện dung lượng cao với tốc độ bit trung bình (384kbps) trong trường hợp trong nhà. Việc ghép kênh thống kê ở giao diện vô tuyến cũng cải thiện đáng kể hiệu suất ở chế đọ truyền dẫn chuyển mạch gói. Tuy nhiên hệ thống 3G cũng có một số hạn chế sau: Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ. Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệu năng Qó khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩn giao diện vô tuyến. Ngoài ra, dải tần ở băng tần 2GHz dành cho hệ thống 3G sẽ sớm bị lão hoá và có những ràng buộc khi kết hợp chế độ song công phân chia theo tần số và thời gian. Vào năm 2010, sự phát triển công nghệ sẽ hướng vào các hệ thống vô tuyến tích hợp. Hệ thống vô tuyến tích hợp sẽ trở nên phổ biến giống như các hệ vi xử lý tích hợp ngày nay. Các hệ thống này tương tác với nhau tạo nên mạng khu vực trong nhà(HAN). Các thiết bị giống như vậy xuất hiện trong các phương tiện giao thông mạng(mạng VAN) và trong các hệ thống sở hữu cá nhân (PAN)... Những chip này phục vụ với tư cách là phương tiện thông tin cự ly ngắn giữa các vật thể và các thiết bị, hỗ trợ các tính năng giám sát và điều khiển trong hầu hết các trường hợp không cần có sự can thiệp của người sử dụng. Khi một người di chuyển trong những môi trường như vậy, các kết nối cự ly ngắn sẽ cho phép thông tin cá nhân di chuyển cùng với anh ta, phòng khách sạn tự động thay đổi nhiệt độ, chương trình tivi, cường độ ánh sáng phù hợp với sở thích của anh ta. Tuy nhiên, việc tích hợp những kết nối như vậy với mạng truy cập vô tuyến diện rộng sẽ làm xuất hiện những khái niệm dịch vụ có hiệu quả hơn nữa như: các thiết bị di động truy nhập mạng diện rộng, các thiết bị cảm biến và các thông tin truy nhập đại diện cho người sử dụng để thực hiện những mong muốn của anh ta. Những dịch vụ như vậy tất nhiên sẽ phải phù hợp với các dịch vụ của hệ thống 3G như: Gửi/nhận thư điện tử Truy nhập Internet Giao dịch qua mạng(thương mại điện tử) Các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí Truy nhập các cơ sở dữ liệu công ty Chuyển tệp kích thước lớn Các dịch vụ nói trên tăng thêm nhu cầu truy nhập thông tin và nhu cầu đối vói việc giao dịch thương mại cũng như các dịch vụ thông tin dựa trên vị trí. Tất cả các dịch vụ đó yêu cầu tốc độ bit cao. Từ những phân tích trên đây, có thể thấy rằng hệ thống 4G sẽ yêu cầu linh động cao để có khả năng hỗ trợ cho: Lưu lượng người sử dụng Các giao diện vô tuyến và các loại đầu cuối Các môi trường truyến dẫn vô tuyến Các loại hình chất lượng dịch vụ Các đặc tính di động Để có thể đáp ứng những yêu cầu như vậy, hệ thống 4G phải linh động và có khả năng thích nghi ở mọi khía cạnh. Do vậy đối với hệ thống này phần mềm có vai trò quan trọng hơn cơ sở hạ tầng phần cứng. Việc tích hợp cũng là một xu hướng chính của hệ thống 4G, đặc biệt là tích hợp giữa mạng truy nhập vô tuyến với các phần tử mạng lõi. Các yếu tố thúc đẩy chính của hệ thống 4G sẽ là: Sự đa dạng của thiết bị Các ứng dụng thương mại điện tử và các ứng dụng phụ thuộc vị trí Sự mở rộng các thủ tục IP để thực hiện đặc tính di động và phạm vi rộng QoS Yếu tố cá nhân và bảo mật Các giao diện vô tuyến và kết nối mạng động. Các cơ chế cải thiện vùng phủ sóng Việc sử dụng phổ tần động và cải thiện phổ tần. 5.2: viễn cảnh đối với hệ thống 4G Các yếu tố tác động đến hệ thống thông tin di động trong tương lai thể hiện trên hình sau: Sự đa dạng các thiết bị người dùng Truy nhập di động mọi nơi Các dịch vụ hội tụ toàn phần Các mạng tư hành Tính phụ thuộc vào phần mềm 2010 Hình 5.1 Nhứng yếu tố chủ chốt đối với hệ thống 4G Các dịch vụ hội tụ toàn phần: người sử dụng sẽ có thể truy nhập một phạm vi rộng các loại hình dịch vụ và ứng dụng rất thuận tiện và an toàn. Các dịch vụ này chiều theo sở thích cá nhân của người sử dụng. Truy nhập di động mọi nơi: Chế độ truy nhập chiếm ưu thế sẽ là chế độ di động cho tất cả các dịch vụ thông tin thoại, phần lớn các dịch vụ thông tin số liệu tốc độ cao và một phần các dịch vụ quảng bá và giải trí. Truy nhập di động đối với các dịch vụ thương mại sẽ trở nên bình thường thay thế cho các dịch vụ hiện tại. Sự đa dạng của thiết bị người sử dụng: Người tiêu dùng sẽ có điều kiện lựa chọn một số lượng lớn các thiết bị di động giá thành thấp để thực hiện truy nhập một cách thuận tiện và thông suốt. Các thiết bị tương tác với người sử dụng theo cách đa cảm biến bao gồm không chỉ lời nói, thính giác, thị giác mà còn các giác quan khác, các số liệu sinh học và môi trường liên quan trực tiếp đến ứng dụng. Các thiết bị đặc biệt dành cho người tàn tật sẽ trở nên phổ biến hơn. Các mạng tự trị: Các hệ thống này là các mạng tự động thích nghi có khả năng tự quản lý cấu hình để phù hợp với yêu cầu thay đổi của người sử dụng đối với cả dịch vụ và dung lượng. Việc sử dụng có hiệu quả phổ tần vô tuyến là một yếu tố thiết yếu đối với các hệ thống này. Việc tự động và tự quản lý sẽ là tiêu chuẩn của hệ thống đó. Tính phụ thuộc vào phần mềm: Các tác tử di động thông minh sẽ tồn tại trong mạng và ở thiết bị của người sử dụng. Các tác tử di động này sẽ hoạt động ở tất cả các lớp từ việc quản lý những sở thích cá nhân của người sử dụng đến việc tổ chức và tái cấu hình các phẩn tử chính trong mạng. ._.