Tìm hiểu & tiếp cận các vấn đề có tính lý thuyết & thực tế của công nghệ CDMA

à vô tuyến(không dây). Trong những thập niên gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ vi điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu cả hai hình thức truyền thông hữu tuyến cũng như vô tuyến đã có những bước tiến kỳ diệu. Một trong những thành tựu của hệ thống viễn thông vô tuyến là hệ thống thông tin di động tổ ong một ứng dụng có nhu cầu lớn nhất và đạt được sự phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây. Trong tương lai không xa,các hệ thống di động tổ ong kỹ thuật số sẽ trở thành phương thức thông tin vạn năng. Điện thoại di động được đưa ra đầu tiên ở hoa kỳ vào năm 1946,nhưng mãi đến những năm 80, hệ thống thông tin di động mới thực sự phát triển nhanh chóng với sự ra đời của hàng loạt tiêu chuẩn tổ ong thế hệ thứ nhất như: NMT của Bắc âu, AMPS của Hoa kỳ, TACS của Anh.. Đầu năm 90 đánh dấu sự phát triển của hệ thống tổ ong thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số TDMA gồm GSM (Châu âu), IS- 95 ( hoa kỳ) , JCD ( nhật bản), cũng như sử dụng kỹ thuật CDMA là IS – 95 ( hoa kỳ). Đến cuối thể kỷ 20 này những tiêu chuẩn đầu tiên của hệ thống di động tổ ong thế hệ thứ 3 sử dụng công nghệ TDMA cải tiến và CDMA băng rộng đang được ngiên cứu và dần đưa vào ứng dụng trên thị trường. Qua bước đầu ngiên cứu và chuẩn hoá hệ thống tổ ong thế hệ thứ 3 thì có thể thấy rằng, công nghệ CDMA sẽ trở thành 1 công nghệ chủ đạo. Vì vậy việc nghiên cứu, tìm hiểu và tiếp cận các vấn đề có tính lý thuyết và thực tế của công nghệ CDMA là rất cần thiết. Nội dung của bản đồ án này bao gồm các phần sau: ChươngI : Tổng quan về hệ thống thông tin di động. Chương này trình bày các đặc trưng cơ bản của hệ thống tổ ong cũng như lịch sử phát triển qua 3 thế hệ. Chương II : Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA. Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về nguyên lý trải phổ, chuỗi giả tạp âm PN sử dụng cho trải phổ cũng như các hệ thống trải phổ cơ bản. Sau đó sẽ trình bày về ứng dụng ký thuật trải phổ trong hệ thống thông tin đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA. ChươngIII: Giao diện vô tuyến của hệ thống CDMA. Chương này trình bày về các kênh trong hệ thống CDMA, nguyên lý tạo khung ,các quá trrình xử lý ( điều biến) tín hiệu của các kênh đường đi và đường về trong hệ thống. Chương IV : Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA. Chương này trình bày 1 số vấn đề cơ bản của một hệ thống CDMA thực tế Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của thầy Trần Chung Dũng ,đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Do thời gian có hạn, bản đồ án này không tránh khỏi những những thiếu xót. Kính mong được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo để bản đồ án này được hàon thiện hơn. mục lục Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.Cơ sở của hệ thống thông tin vô tuyến.................................................5 2.Hệ thống thông tin di động tổ ong.................................................... ..6 2.1. Các đặc trưng cơ bản .....................................…........................... .6 -Ô ( vùng phủ sóng)................................................…...........................6 -Mô hìn hệ thống ................................................................................ .8 -Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 10 -Phương pháp đa thâm nhập ..................................................................11 -Đường truyền vô tuyến ........................................................................13 2.2. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong………………..15 Chương II: Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA 1.Tổng quan về nguyên lý trải phổ.........................................................21 2.Chuỗi giả tạp âm PN ..........................................................................24 2.1.Các chỉ tiêu giả ngẫu nhiên .............................................................24 2.2. Dãy ghi dịch ..................................................................................24 3.Các hệ thống trải phổ…......................................................................27 3.1.Hệ thống DS/SS ..............................................................................28 3.2.Hệ thống FH/SS...............................................................................29 4.Kết hợp kỹ thuật trải phổ với công nghệ CDMA ................................31 4.1. Các chuỗi mã trực giao ..................................................................31 4.2.Đa thâm nhập trải phổ SSMA ..........................................................32 4.3.So sánh kỹ thuật CDMA với FDMA và TDMA ................................33 Chương III Các kênh vô tuyến của hệ thống CDMA 1.Kênh vật lý ........................................................................................38 2.Kênh logic và nguyên lý tạo khung.....................................................38 2.1. Kênh CDMA hướng về (Hướng lên)................................................41 -Kênh thâm nhập (access chanel )...................................................41 -Kênh lưu lượng về ( revert traffic chanel ).....................................43 2.2.Kênh CDMA hướng đi ( hướng xuống) ...........................................44 -Kênh hoa tiêu (pilot chanel) ..........................................................44 -Kênh đồng bộ(synchronous)..........................................................45 -Kênh nhắn tin (page chanel)..........................................................47 -Kênh lưu lượng đi (forward traffic chanel).....................................48 3.Xử lý kênh lôgic trước truyền dẫn .....................................................50 3.1.Các phần tử cần thiết cho tiến trình xử lý kênh logic.......................52 -Bộ mã hoá vòng xoắn................................................................... 52 - -Bộ mã lặp ....................................................................................55 -Bộ gép xen ...................................................................................55 -Trải phổ trực giao sử dụng hàm Walsh..........................................55 -Bộ tạo mã dài ...............................................................................57 -Trải phổ chuỗi trực tiếp ...............................................................59 -Trộn dữ liệu (scrambling).............................................................60 -Điều chế QPSK và OQPSK...........................................................60 3.2. Các thông số điều chế cho từng kênh............................................65 -Kênh hướng về.............................................................................65 -Kênh hướng đi.............................................................................72 Chương IV Các vấn đề cơ bản của hệ thống di động CDMA 1. Máy thu RaKe ...............................................................................80 2. Chuyển giao ..................................................................................82 2.1. Khái niệm chung về chuyển giao ................................................82 2.2. Các thủ tục chuyển giao mềm ở hệ thống CDMA IS – 95.............84 3. Điều kiện công suất .......................................................................93 3.1. Hiệu ứng gần xa ..........................................................................93 3.2. Các phương pháp điều khiển công suất .......................................94 3.3. Thực hiện điều khiển công suất ở hệ thống IS-95.........................97 Kết luận chung.................................................................................100 Phụ lục.............................................................................................102 Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.Cơ sở hệ thống thông tin vô tuyến: Một hệ thống thông tin vô tuyến kết nối các khách hàng tới các trung tâm dịch vụ thông tin qua 1 kênh truyền vô tuyến.Một hệ thống truyền thông vô tuyến điển hình sẽ sử dụng các máy vô tuyến di động hay cố định truyền thông qua không gian với các tháp anten vô tuyến đặt cố định (gọi là các trạm gốc BS)và đến lượt nó, BS sẽ được liên kết với một trung tâm chuyển mạch nhằm chuyển tiếp cuộc gọi. Người ta chia hệ thống thông tin vô tuyến thành 4 loại chính theo phạm vi sử dụng của chúng : hệ thống thông tin di động tổ ong(cellular),hệ thông thoại văn phòng(WOTS),hệ thống thoại vô tuyến kéo dài (cordless),hệ thống truyền thông cá nhân PCS. Các hệ thống thông tin tổ ong cung cấp vùng phủ sóng trong 1 khu vực rộng, chẳnghạn 1 thành phố, 1 đất nước ....Nhờ việc đặt rất nhiều tháp anten. Đây là một hệ thống có quy mô lớn nhất nhiều người sử dụng nhất. Các hệ thống thoại vô tuyến văn phòng WOTS được xem như hệ thống tổ ong thu nhỏ, điển hình sử dụng 5á20 trạm gốc để có vùng phủ sóng trong một diện tích nhỏ như khuông viên cuả một trường đại học, hay một khu bệnh viện. Một số hệ thống thoại vô tuyến văn phòng điển hình là: DECT và IS – 94. Các hệ thống thoại kéo dài cho phép một máy cầm tay (handset) truyền thông với một trạm gốc đơn lẻ đặt trong nhà. Máy cầm tay của hệ thống này phát tại mức công suất rất thấp và sử dụng băng tần vô tuyến không được cấp phép. Vùng phủ sóng của hệ thống kéo dài điển hình là CT- 2 của Anh, Tele- go, PACS của Mỹ. Hệ thống ( hay dịch vụ ) truyền thông cá nhân PCS được xem như là sự kết hợp của hệ thống tổ ong, thoại cơ quan và kéo dài, với các dịch vụ thông tin tiên tiến. Đây là mạng vô tuyến mới cung cấp các dịch vụ viễn thông ở Bắc mỹ cho các khách hàng, sử dụng băng tần vô tuyến tại 1,9GHz Việc truyền thông qua không gian được xem như là sử dụng tài nguyên thiên nhiên (tần số vô tuyến ), và do đó phải được kiểm soát.Uỷ ban thông tin liên bang FCC của hoa kỳ kiểm soát việc sử dụng phổ tần ở nước này, trong khi ở Canada việc kiểm soát phổ tần do bộ viễn thông DOC. ở các nước khác việc kiểm soát sử dụng phổ tần thường do các cơ quan của chính phủ đảm nhiệm. Phổ tần số có thể được chia thành băng cấp phép và băng không cấp phép. Băng tần cấp phép sẽ yêu cầu người dùng hay các nhà cung cấp phải đăng ký thì mới có quyền sử dụng. Ngược lại, băng tần không cấp phép sẽ cho người dùng hay nhà cung cấp dịch vụ sử dụng nó mà không phải xin phép. 1.2. Hệ thống thông tin di động tổ ong(cellular): 1.2.1. Khái niệm và các đặc trưng cơ bản: Khái niệm “ tổ ong cellular” được ngiệp đoàn Bell đưa ra vào năm 1947,và hệ thống thoại tổ ong. Khái niệm tổ ong cellular được nghệp đoàn Bell đưa ra vào năm 1947, và hệ thống thoại tổ ong tự động đầu tiên trên thế giới bắt hoạt động ở Nhật vào năm 1979. Một hệ thống tổ ong sẽ sử dụng rất nhiều vùng phủ sóng nhỏ, còn được gọi là ô(cell).Ô chính là đơn vị nhỏ nhất của mạng. Trên sơ đồ địa lý quy hoạch mạng, ô có dạng một hình lục giác. Trong một ô có một trạm anten để liên lạc bằng kênh vô tuyến với tất cả các máy di động có trong ô. Dạng ô được minh hoạ như sau. a. b. c. d. Hình 1.1 Mô hình ô Trong hình vẽ trên, hình a, biểu thị vùng phủ sóng của một anten vô hướng phát đẳng hướng. Đường biên ứng với quỹ tích của các vị trí có cùng cự ly đến anten mà tại các điểm đó cường độ tín hiệu suy giảm đến giá trị yêu cầu tối thiểu của máy thu ( độ nhạy máy thu). Hình 1.b biểu diễn tình huống hai anten vô hướng giống nhau được thiết lập ở các khoảng cách thích hợp. Khi đó, hai vùng phủ sóng (hai vòng tròn) sẽ giao nhau, dây cung chung của vùng giao nhau là quỹ tích của các vị trí mà cường độ tín hiệu của hai anten bằng nhau. Hình 1.c biểu thị tình huống vùng phủ sóng của 1 anten vô hướng có tất cả các đường biên giao nhau với vùng phủ sóng của 6 anten đặt cách đều xung quanh 6 dây cung tạo thành hình lục giác đều,biểu thị vùng phủ sóng của một ô. Khi máy di động MS di chuyển ra ngoài vùng đó, nó phải thực hiện chuyển giao để tiếp tục truyền thông với trạm vô tuyến của một ô khác liền kề mà hiện tại nó đang ở trong vùng phủ sóng. Hình lục giác trở thành kí hiệu ô trên bản đồ quy hoạch mạch di động. Hai đặc điểm nổi bật của mô hình tổ ong là sử dụng lại tần số và diện tích mỗi ô tương đối nhỏ. Trong dải tần sử dụng cho hệ thống tổ ong, người ta chia nhỏ các nhóm kênh tần số vô tuyến. Mỗi ô sẽ sử dụng một nhóm kênh tần số vô tuyến. Do can nhiễu các ô kề cận nhau phải sử dụng các nhóm kênh tần số khác nhau. Tuy vậy để nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần, các ô có thể sử dụng chung tần số nếu cự ly giữa chúng đủ lớn, can nhiễu do dùng chung tần số là không đáng kể. Đặc điểm quan trọng của việc sử dụng lại tần số là can nhiễu giữa các ô dùng chung tần số sẽ phụ thuộc vào tỉ số D/R(D: cự ly giữa các ô có cùng tần số ,R: Bàn kính ô). Trong thực tế do sự tăng trưởng không ngừng tại một ô nào đó dẫn đến chất lượng phục vụ giảm sút qúa mức người ta phải thực hiện việc chia tách các ô này thành các ô nhỏ hơn. Với chúng người ta dùng công suất phát nhỏ hơn và mẫu sử dụng lại tần số được sử dụng ở tỉ lệ xích nhỏ hơn. Ngoài hai đặc điểm nổi bật nói trên ,hệ thống thông tin di động tổ ong còn có một số các đặc trưng quan trọng khác Song công tần số Để đảm bảo phát và thu đồng thời mà không ảnh hưởng lẫn nhau, trạm gốc sẽ phát đi trên một nhóm kênh tần vô tuyến, gọi là kênh hướng đi (hay kênh xuống), và thu trên một nhóm kênh tần số khác gọi là kênh hướng về (hay kênh hướng lên). Các kênh tần số đi và về ổ mỗi ô sẽ được tách biệt với nhau bởi một khảng tần số nào đó. Mô hình hệ thống Hình vẽ sau sẽ giới thiệu mô hình hệ thống thông tin di động tổ ong. PSTN các mạng khác SS BSS BSC BTS MS MS OSS AUC HLR MSC EIR VLR Đường thoại Đường báo hiệu Hình vẽ 1.2- Mô hình hệ thống di động tổ ong AUC: trung tâm nhận thực. SS: Hệ thống chuyển mạch HLR: Bộ ghi dịch định vị thường trú VLR : Bộ ghi định vị tạm trú BSS: Phân hệ trạm gốc EIR: thanh ghi nhận dạng thiết bị. BSC: Đài điều khiển trạm gốc BTs : Đài thu vô tuyến MS: Máy di động OSS: Trạm điều hành và bảodưỡng MSC: trung tâm chuyển mạch(còn gọi là tổng đài di động). Trong mỗi phân hệ trạm gốcBSS,Một bộ điều khiển trạm gốc BSC sẽ điều khiển một nhóm các BTS về các chức năng như chuyển giao,điều khiển công suất. Trong mỗi mỗi một phân hệ chuyển mạch S, một trung tâm chuyển mạch còn gọi là tổng đài mạng di động MSC, phục vụ nhiều BSC, hình thành cấp quản lý lãnh thổ gọi là vùng phục vụ MSC, gồm nhiều vùng định vị. Hình vẽ 1.3 dưới đây sẽ nêu 1 ví dụ phân cấp cấu trúc địa lý của một mạng tổ ong. Vùng phục vụ GSM Vùng phục vụ PLMN Vùng phục vụ MSC Vùng định vị và tìm gọi Ô(cell) Chỉ có 1 BTS Hình vẽ 1.3 Ví dụ về phân cấp cấu trúc địa lý của mạng di động tổ ong GSM Do đặc tính di dộng của MS, mạng phải theo dõi liên tục MS để xác định rằng MS hiện đang ở ô nào. Việc phân cấp cấu trúc địa lý có thêm vùng định vị sẽ có ưu điểm là giữ cho số lượng bản tin thông báo tìm gọi không quá lớn, đồng thời số lượng thông báo cập nhật vị trí của MS cũng không quá lớn. Bởi vì, khi MS di chuyển từ ô này sang ô khác cùng một vùng định vị thì nó sẽ không phải thông báo gì cho mạng chỉ khi MS chuyển sang 1 vùng định vị khác thì mới phải thông báo cho mạng về vùng định vị này. Yêu cầu quản lý nhiều mặt đối với MS của mạng di động tổ ong dẫn đến các cơ sở dữ liệu lưu trữ phải lớn. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR chứa thông tin về thuê bao như các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn, các tham số nhận thực vị trí hiện thời của MS được cập nhật qua bộ đăng ký định vị tạm trú VLR cũng được chuyển đến HLR. Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các tham số nhận thực và các khoá mật mã. Khi MS di động vào một vùng phục vụ mới, thì VLR sẽ yêu cầu HLR cung cấp các số liệu về vị trí khách mới này,đồng thời VLR cũng thông báo cho HLR biết MS đang ở MSC nào. VLR phải có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu người dùng. Một MSC đặc biệt gọi là MSC cổng – GMSC, sẽ có chức năng kết nối giữa mạng di động và các mạng khác. Máy di động MS gồm hai phần: modul nhận dạng thuê bao SIM, và thiết bị thu báo hiệu ME. Trong phân hệ chuyển mạch SS còn có thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR, chứa số liệu phần cứng của thiết bị.EIR được nối với MSC có thể kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị. Cơ chế hoạt động Trong mạng cố định, thiết bị đầu cuối nối với mạng. Do đó, tổng đài mạng cố định có thể liên tục giám sát được trạng thái nhấc đặt của tổ hợp máy điện thoại, để phát hiện cuộc gọi đến từ thuê bao. Đồng thời thiết bị đầu cuối luông sẵn sàng tiếp nhận chuông khi có cuộc gọi đến. Nhưng trong mạng di động, vì số kênh vô tuyến quá ít so với số thuê bao MS nên kênh vô tuyến phải được cấp phát theo kiểu động. Việc gọi được và thiết lập cuộc gọi đến MS cũng khăn hơn trong mạng cố định. Khi chưa có cuộc gọi, MS phải lắng nghe thông báo tìm gọi nó nhờ một kênh đặc biệt gọi là kênh quảng bá hay kênh nhắn tin. Một cuộc gọi đến MS, và từ MS đi sẽ yêu cầu hệ thống cho phép MS thâm nhập vào hệ thống để nhận được 1 kênh vô tuyến. Thủ tục thâm nhập được thực hiện trên một kênh quảng bá là các kênh dùng chung vì nó phục vụ cho nhều MS. Kênh mà MS được cấp phát để thực hiện cuộc gọi là kênh dành riêng. MS sẽ có hai trạng thái chính. + Trạng thái chờ: MS lắng nghe kênh quảng bá. + Trạng thái truyền tin: MS được cấp phát kênh truyền tin song công để truyền tin song công Thủ tục thâm nhập của MS cho phép nó chuyển từ trạng thái chờ sang trạng thái truyền tin. Quá trình chuyển giao: Thông thường ,một cuọc gọi có thể không thực hiện xong trong phạm vi một ô Vì thế mạng tổ ong phải có khả năng điều khiển và chuyển mạch để chuyển tiếp cuộc gọi từ ô này sang ô khác mà không ảnh hưởng đến chất lượng cuộc gọi. Quá trình này được gọi là quá trình chuyển giao. Các phương pháp đa thâm nhập : Trong một ô, mỗi trạm gốc sẽ liện lạc với nhiều MS. Qua giao diện vô tuyến, máy di động MS có thể thiết lập hay nhận một cuộc gọi tới/từ bất kỳ một thuê bao nào khác. Việc phân chia kênh lưu lượng cho MS được gọi là kỹ thuật đa thâm nhập. Có 3 phương pháp đa thâm nhập sử dụng chủ yếu là: FDMA, TDMA, CDMA. + Đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA: ở phương pháp này, độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống là B MHz được chia thành n băng tần con. Mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng là B/n MHz. ở dạng thâm nhập này, các máy thuê bao sẽ phát đồng thời sóng mang ở các tần số của nó.Giữa các kênh phải có khoảng bảo vệ để chống sự can nhiễu. MS 3 MS 2 MS1 Kênh 3 Kênh 2 Kênh 1 Khoảng bảo vệ B/n MHz B MHz f t Các hệ thống FDMA được sử dụng từ rất sớm ,đã qua thực tế khai thác nhiều năm,có tính ổn định cao và giá thành hạ. Tuy nhiên hạn chế chính của hệ thống là không linh hoạt khi cần thay đổi lưu lượng, dung lượng hệ thống không cao, vấn đề tần số và công suất sẽ rất phức tạp khi số lượng thuê bao tăng lớn. Hình vẽ 1.4 Khái niệm phân bố tần số a/ và phân định kênh b/ trong FDMA + Đa thâm nhập theo thời gian TDMA MS1 MS2 MS3 MSn Khoảng bảo vệ TS1 Tf TB t .f TS: 1 khe thời gian. TB: thời gian truyền tín hiệu của thuê bao Tf: thời gian của một khung Biểu đồ thời gian của hệ thống TDMA được chia thành các khung, mỗi khung có n khe thời gian. Mỗi khe thời gian dành cho truyền dẫn tín hiệu của một thuê bao sóng mang của thuê bao có thể chiếm toàn bộ băng tần dành cho kênh vô tuyến. Hình vẽ 1.5-Nguyên lý TDMA Với kiểu thâm nhập này, hệ thống sẽ dễ dàng và linh hoạt đáp ứng nhu cầu gia tăng lưu lượng bằng cách phân thêm khe thời gian hoặc mở rộng khe thời gian đối với thuê bao có lưu lượng lớn. Tuy nhiên vấn đề điều khiển và đồng bộ trong hệ thống yêu cầu nghiêm ngặt, cấu trúc hệ thống khá phức tạp, giá thành tương đối cao. +Đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA Tín hiệu của các thuê bao khác nhaucó thể sử dụng chung 1 băng tần và dược phát đi ở cùng 1 khe thời gian.Các kênh này được phân biệt với nhau bằng 1 mã khác nhau.Kỹ thuật trải phổ sử dụng trong hệ thống CDMA sẽ giúp các kênh vo tuyến không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện dùng chung tần số và thời gian. MS4 MS3 MS2 MS1 f t Băng tần của hệ thống Hình vẽ 1.6 – Nguyên lý CDMA Các đặc tính đường truyền vô tuyến Đặc tính đường truyền trong hệ thống thông tin di động là rất quan trọng. Nó ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cuộc gọi. Suy hao đường truyền trung bình có thể rất lớn do chiều cao anten của MS rất là thấp, đồng thời do điều kiện kênh truyền thay đổi nhanh vì sự di động của MS. Đặc tính truyền dẫn có thể được chia thành 3 thành phần chủ yếu: - Suy hao đường truyền do khoảng cách. - Hiệu ứng che khuất. - Pha đinh nhiều tia. Trong môi trường truyền sóng không gian tự do lý tưởng thì suy hao đường truyền sẽ tỉ lệ thuận với bình phương cự ly. Khi kông có vật trở ngại giữa và xung MS với BS thì suy đường truyền giống như trong không gian tự do. Tuy vậy thực tế có rất nhiều chướng ngại vật ổ giữa MS và BS, nên suy hao đường truyền được xác định bởi rất nhiều yếu tố Vd: địa hình tự nhiện, các công trình nhân tạo ...CCIR đã chấp nhận mô hình truyền sóng Hata, sử dụng công thức Hata để tính suy hao đường truyền. Công thức này sẽ khác nhau cho các mô hình đô thị, mô hình ngoại ô, và mô hình nông thôn. Hiệu ứng che khuất do các vật cản gây ra (toà nhà, cây cối..). Trong hệ thống di động, hiệu ứng này làm cường độ tín hiệu thăng giáng ngẫu nhiên. Do mật độ xác suất của cường độ trường phân bố theo một đường cong chuẩn logarit theo thời gian, nên ta còn gọi hiệu ứng này là pha đinh chuẩn logarit. Tín hiệu truyền từ phía phát đến phía thu ngoài dường trực tiếp còn theo rất nhiều đường khác do hiện tượng phản xạ. Pha và biên độ của các tia này đều biến đổi rất ngẫu nhiên. Hiệu ứng nhiều tia sẽ dẫn đến pha đinh nhiều tia hay còn gọi là pha đinh Rayleigh, làm cho tín hiệu biến thiên rất nhanh và sâu. Một kỹ thuật được sử dụng phỏ biến để làm giảm ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn mà chủ yếu làm ảnh hưởng của pha đinh là kỹ thuật phân tập . Tồn tại nhiều biểu đồ phân tập khác nhau nhưng sử dụng nhiều nhất là các biểu đồ: Phân tập không gian, phân tập phân cực, phân tập tần số,phân tập thời gian. +Phân tập không gian: Là phương pháp truyền cùng một tín hiệu bằng hai anten đặt cách nhau một khoảng nào đó dể tránh can nhiễu.ở phía thu cũng sử dụng hai anten như phía phát. Hai anten này sẽ thu được cùng một tín hiệu vô tuyến nhưng chịu các điều kiện pha đinh khác nhau. Khi kết hợp hai tín hiệu từ hai nhánh anten này sẽ giảm được sự biến thiên nhanh và sâu của pha đinh nhiều tia. + Phân tập phân cực: Trong biểu đồ phân tập này một ítn hiệu sẽ được phát bởi hai anten phân cực và cũng được thu bởi hai anten phân cực. +Phân tập tần số: Với phương pháp phân tập này, cùng một tín hiệu sẽ được truyền trên nhiều tần số khác nhau. Các tần số này phải được cách nhau một khoảng nào đó để tránh can nhiễu giữa chúng. Ưu điểm của phương pháp là ta có thể thực hiện được nhiều nhành phân tập, nhưng nhược điểm là yêu cầu phổ tần rộng hơn các phương pháp khác. + Phân tập theo thời gian: Khi truyền cùng một tín hiệu tại các khe thơi gian khác nhau cách nhau một khoảng thích hợp cũng có thể thu được các nhánh phân tập. 1.2.2.Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong: Hệ thống thông tin di động tổ ong đã phát triển qua 2 thế hệ và đang dần tiến lên thế hệ thứ 3. Hình vẽ dưới đây sẽ trình bày quá trình phát triển của hệ thống. Hệ thống tổ ong tương tự Hệ thống tổ ong số Hệ thống tổ ong thế hệ thứ 3 NTT Nhật Bản TCAS Châu Âu NMT Bắc Âu AMPS Bắc Mỹ Công nghệ TDMA JCD Công nghệ CDMA GSM DAMPS IS- 95 UMTS IMT 2000 Hình vẽ 1.7 - Quá trình phát triển của hệ thống thông tin tổ ong. Hệ thống tổ ong thế hệ thứ nhất Hệ thống này sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự và công nghệ đa thâm nhập phân chia theo tần số FDMA. Hệ thống tổ ong tự động tương tự đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động bởi NTT của Nhật Bản vào năm 1979. Năm 1981, hệ thống thoại tổ ong của Bắc Âu NMT bắt đầu được khai thác ở nhiều nước khu vực Bắc Âu. Hệ thống tổ ong tương tự đầu tiên của Hoa Kỳ với tên gọi là hệ thống thoại tiên tiến AMPS chính thức hoạt động vào năm 1983. Năm 1985, hệ thống truyền thông di động TACS bắt đầu khai thác ở nước Anh.. Sau đó cùng với sự phát triển nhanh của số lượng thuê bao, ra đời thêm nhiều hệ thống thoại tương tự, hệ thống sau là sự nâng cấp của hệ thống trước, ở Nhật Bản sau khi hệ thống MSC- L1 ra đời, do hạn chế của nó mà hệ thống MSC- l2 được phát triển. Ngoài ra tại Nhật Bản còn có một số hệ thống cạnh tranh khác là: JTACS và NTACS. Hai hệ thống này đều là phiên bản nâng cấp của hệ thống số, người tiêu dùng không chấp nhận nó, hãng Motorola đã giới thiệu hệ thống AMPS băng hẹp (NAMPS) vào năm 1991. Với một số thay đổi trong về băng tần, thì hệ thống NAPMS có thể phục vụ nhiều thuê bao hơn hệ thống AMPS ban đầu mà không cần thêm các ô mới. Chuẩn NAMPS đầu tiên được gọi là IS- 98. Hệ thống CNET là hệ thống tổ ong tương tự được sử dụng ở Đức, Bồ Đào NHa và Nam Mỹ, vận hành đầu tiên vào năm 1985. Mục đích chủ yếu của hệ thống CNET là hệ thống trung gian để chờ đến khi hệ thống số ở Châu Âu có thể được giới thiệu. Hệ thống MATS-E được sử dụng ở Pháp. MATS- E kết hợp được nhiều đặc trưng của các tổ ong tương tự khác. Về phân định tần số cho hệ thống tổ ong tương tự, ở Mỹ sử dụng băng tần 800MHz(AMPS: đường về 824- 849MHz,đưòng đi 869- 894MHz)ở Nhật sử dụng băng tần 800MHz,ở Đức hệ thống CNET hoạt động ở băng tần 450MHz, còn hệ thống NMT của Bắc Âu được chia ra hoạt động ở hai băng tần 450MHz vầ 900MHz. Ưu điểm của hệ thống tổ ong thế hệ thứ nhất là chất lượng cuộc thoại rất tốt, điều này do sử dụng công nghệ FDMA, mỗi tín hiệu chiếm chọn 1 dải tần. Tuy nhiên, vì thế cũng dẫn đến nhược điểm lớn của hệ thống là, do phổ tần có hạn, dung lượng thuê bao thấp, việc tăng dung lượng thuê bao thực hiện rất khó khăn. Do vậy, với sự gia tăng không ngừng về số lượng thuê bao đòi hỏi phải có các hệ thống đảm bảo dung lượng cao hơn, thay đổi dung lượng linh hoạt hơn. Và cùng với sự phát triển của hệ thống tổ ong tương tự, nhiều hiệp hội đã nghiên cứu để đưa ra các khuyến nghị cho hệ thống tổ ong thế hệ tiếp theo. Hệ thống tổ ong thế hệ thứ hai: Tại Mỹ, nhờ những hoạt động tích cực của hiệp hội công nghiệp kỹ thuật TIA mà vào năm 1991,chuẩn tạm thời IS- 54 (Interim standard) ,Phiên bản o, sử đụng công nghệ TDMA đã đưa vào thử nghiệm. Tuy vậy hệ thống TDMA IS - 54 phiên bản 0 không đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng, chất lượng của nó tỏ ra thua kém so với hệ thống tương tự. Rất gần nhau, các hãng lại tung ra các chuẩn mới( gồm cả chuẩn số và tương tự) để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Các chuẩn số bao gồm IS- 54 phiên bản A, rồi IS - 54 phiên bản B còn gọi là IS 138 hay DAMPS tiếp tục phát triển kỹ thuật TDMA, và IS -95 sử dụng công nghệ CDMA. Do hệ thống số đưa ra khi mà hệ thống tương tự đã phát triển mạnh, nên IS- 54 phiên bản 0 vầ cả IS -95 đều hỗ trợ hai chế độ hoạt động tương tự số. Chỉ có hệ thống IS- 136 là hoạt động hoàn toàn ở chế độ số. Khác với Hoa kỳ,chỉ ưa chuộng hệ thống tổ ong AMPS, ở Châu âu đã phát triển khá nhiều hệ thống tổ ong tương tự không tương thích nhau, như TACS, NMT, CNET…Vào năm 1982, hiệp hội bưu chính viễn thông Châu âu - CEPT, đã tổ chức hội thoả bắt đầu quá trình chuẩn hoá cho 1 hệ thống tổ ong duy nhất ở thế hệ phát triển tiếp theo. Khung của tiêu chuẩn được đưa ra trong hội thảo này được hoàn thiện dần, và về sau gọi là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Chuẩn này tương thích với mạng số ISDN vầ sử dụng báo hiệu số 7. Năm 1990, pha 1 của tiêu chuẩn GSM hoạt động ở bănng tần 1,8 GHz sau đó một vài hệ thống GSM 900 MHz cũng được đưa vào khai thác. Phần 2 của hệ thống cũng đã được hoàn thiện,đưa vào các dịch vụ mới, cải thiện khả năng truyền dẫn số liệu. Tại Nhật bản, hệ thống tổ ong thế hệ thứ 2 được chuẩn hoá vào năm1991 bởi trung tâm nghiên cứu và phát triển hệ thống vô tuyến RCR( hiện nay gọi là ARIB). Hệ thống này còn gọi là hệ thống tổ ong số cá nhân PCD( trước đây gọi là hệ thống JCD ). Hệ thống PCD sử dụng kỹ thuật thâm nhập TDMA hoạt động ở băng tần 900 vầ 1400MHz. Hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ 3 G3: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 tuy có các ưu điểm nổi bật và đang phát triển để đáp ứng nhu cầu của thị trường,nhưng rõ ràng vẫn chưa phải là hệ thống của tương lai, không đáp ứng được đòi hỏi ngày càng cao của người tiêu dùng. Vì thế các hiệp hội vầ các tổ chức viến thông trên thế giới đã và đang ngiên cứu để thoả mãn các đặc tính sau : - Có khả năng hỗ trợ 1 phạm vi rộng các dịch vụ thoại và phi thoại, băng hẹp và băng rộng, đưa vào các dịch vụ tiên tiến. -Tốc độ của kênh phải đạt 64 Kb/s bằng với tốc độ cơ sở của mạng số đa dịch vụ ISDN. -Khả năng tương thích cao với các mạng khác, có tiêu chuẩn thống nhất để có thể được xem như là một phần của mạng ISDN trong tương lai. Hiện nay, có hai tiêu chuẩn hệ thống di động thế hệ thư3, là hệ thống di động đa năng UMTS của Viện tiêu chuẩn Châu âu và hệ thống di động quốc tế IMT-2000 của hiệp hội viễn thông Hoa kỳ ITU. Với hệ thống UMTS, do sự phát triển trước đây và những thành công mang tính toàn cầu của hệ thống GSM mà hệ thống này được xây dựng trên cơ sở hạ tầng và các kỹ thuật của GSM hiện thời. Tuy nhiên, UMTS cũng có giao diện vô tuyến mới là giao diện vô tuyến mặt đất UTRA và sử dụng băng tần 2GHz. Vào năm 1998, ETSI đã dưa ra quyết định về giao diện vô tuyến của UMTS.2 giao diện được dự kiến là: +Trong băng tần kép, hệ thống sẽ sử dụng song công tần số FDD và kỹ thuật đa thâm nhập W- CDMA. +Trong băng tần đơn, sử dụng song công phân chia theo thưòi gian TĐ, hệ thống chấp nhận kỹ thuật đa thâm nhập TRAO đặI- CDMA, là một dạng kết hợp giữa TDMA và CDMA. Thảo luận về ITM- 2000 được ITU tháp tổng hợp thực hiện năm 1999. Chuẩn này sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập W- CDMA. Xét trên khía cạnh dịch vụ, chuẩn này cung cấp 2 cơ chế: + Cơ chế cho phép tạo lập các dịch vụ bổ xung gồm việc tạo và thực thi các thủ tục giao diện người - máy MNI cho máy di động. + Cơ chế cho phép định nghĩa các chức năng tương tác mạng, thích hợp với việc tạo các dịch vụ xa và hay các ứng dụng người dùng cuối, gồm ._.việc tải xuống thực thi các chức năng này tại các máy di động và các phần tử mạng tương ứng. Chương 2 Lý thuyết trải phổ và công nghệ CDMA. 2.1.Tổng quan về nguyên lý trải phổ: Tần số vô tuyến được coi là một tài nguyên thiên nhiên quan trọng của quốc gia. Việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài nguyên này ngày càng trở nên quan trọng. Bởi vì, phổ tần số nhất định. Tuy vậy ngày càng có nhiều công nghệ và dịch vụ thông tin tranh nhau chiếm đoạt từng phần phổ tần vô tuyến có quý giá này. Đặc biệt, nhu cầu về phổ tần vô tuyến càng tăng nhanh khi ra đời các hệ thống thoại tổ ong, và các dịch vụ mới. Do đó việc quản lý sử dụng phổ tần là rất quan trọng và không kém phần phức tạp vì tính đa dạng của các dịch vụ và công nghệ liên quan. Trước đây, vấn đề này được giả quyết bằng cách cấp phát các băng tần khác nhau cho các dịch vụ khác nhau như: thông tin quảng bá ( phát thanh, truyềnhình…), di động, vô tuyến nghiệp dư ...Mới đây đã xuất hiện một phơng pháp khác để giải quyết vấn đề này. Phương pháp này dựa trên khả năng cho phép các loại dịch vụ khác nhau(sử dụng các phương pháp điều chế khác nhau)sử dụng chung băng tần mà không gây nhiễu đáng kể. Phương pháp này được gọi là điều chế trải phổ SS( Spread spectrum), và đặc biệt phát huy tác dụng khi kết hợp với kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA. ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng tín hiệu được mở rộng, thông thờng hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng băng tần SS, sẽ không đạt hiệu quả. Nhưng hiệu quả sử dụng băng tần thực sự tăng lên trong môi trường đa người dùng. Một hệ thống thông tin thực hiện kỹ thuật trải phổ sẽ có các đặc trưng sau: -Băng tần truyền dẫn sẽ lớn hơn rất nhiều băng tần tối thiểu để phát thông tin. -Trải phổ số liệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ dữ liệu. -Tại phía thu, việc nén phổ được hiện nhờ việc tương quan giữa tín hiệu trải phổ thu được và bản sao đã được đồng bộ của mã giả tạp âm đã sử dụng để trải phổ phía phát. Tín hiệu trải phổ có nhiều thuộc tính khác biệt so với tín hiệu băng hẹp. Cụ thể là: Khả năng đa thâm nhập: Khi mhiều người truyền tín hiệu đã trải phổ tại cùng một thời điểm, máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với người sử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các mã này đảm bảo mức tương quan chéo đủ nhỏ. Máy thu khôi phục lại thông tin ban đầu bằng cách tương quan tin hiệu thu được với mã trải phổ ứng với mỗi người sử dụng nào đó. Điều này sẽ làm cho chỉ có phổ tín hiệu của người sử dụng đó bị thu hẹp lại trong khi tín hiệu cuả những người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn. Trong băng tần thông tin chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là lớn. Nguyên tắc này được mô tả như sau: Hình vẽ 2.1 Nguyên lý đa thâm nhập. Hình 1.8a Là tín hiệu được trải phổ của các tín hiệu băng tần hẹp và tín hiệu trải phổ của hai người sử dụng truyền đi cùng một băng tần và tại cùng một thời điểm. Hình 1.8b Tại máy thu, chỉ có tín hiệu của người 1 được nén lại và dữ liệu ban đầu được khôi phục. Khả năng chống nhiễu đa đường: Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau ngoài đường trục trực tiếp do các nguyên nhân phản xạ. Các tín hiệu đa đường này có biên độ và pha khác nhau sẽ làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và giảm tín hiệu tổng ở các tần số khác. Trong miền thời gian, hiện tượng này làm tín hiệu bị giãn rộng. Với tín hiệu trải phổ, do tính chất tự tương quan của mã trải phổ nhỏ, sẽ làm giảm đáng kể nhiễu đa đường. Khả năng bảo mật : Tín hiệu được truyền đi chỉ có thể được nén phổ và dữ liệu ban đầu được khôi phục khi máy thu biết mã trải phổ đã sử dụng. Mã trải phổ này thực sự mang tín chất ngẫu nhiên không thể đoán trước được đối với các máy thu trái phép. Khả năng loại trừ nhiẽu: Việc tương quan giữa mã trải phổ và tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng tần thông tin. i s s i a. b. Hình vẽ 2.2 a. Tín hiệu S bị ảnh hưởng. b.Sau khi giải trải phổ Tại phía thu, tín hiệu trải phổ được nén trong khi nhiễu băng hẹp bị trải phổ làm nó xuất hiện như một tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn. Có 2 kỹ thuật trải phổ cơ bản mà ta xét ở đây là trải phổ dãy trực tiếp DS/SS ( Directed sequence) và trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequency hopping). Trong đó, trải phổ chuỗi trực tiếp có nghĩa tín hiệu mang thông tin được nhân trực tiếp với mã trải phổ tốc độ cao, còn trải phổ nhảy tần là: sóng mang có tần số thay đổi theo quy luật của mã trải phổ. 2.2. Chuỗi giả tạp âm PN: 2.2.1.Các chỉ tiêu giả ngẫu nhiên; Các tín hiệu trải phổ băng rộng tựa tạp âm được tạo ra bằng cách sử dụng các chuỗi mã giả tạp âm PN.Lưu ý rằng các chuỗi này phải được tạo ra bằng cách xác định, và có thể nhận biết được một cách chính xác ở cả bên phát và bên thu. Tuy vậy, chúng lại phải thể hiện giống hệt ngẫu nhiên với các máy thu không mong muốn. Có 3 chỉ tiêu cơ bản có thể áp dụng cho các dãy nhị phân tuần hoàn, như là một chỉ tiêu của sự xuất hiện ngẫu nhiên. Đó là: Tính cân đối : Trong mối chu kỳ của dãy, số con số “1” nhị phân và con số “0” khác nhau nhiều nhất là 1 Tính chạy : Một bước chạy được xác định như là dãy liện tục các bit cùng loại. Sự xuất hiện của một loại bit khác loại xem như bắt đầu một bước chạy mới. Độ dài của bước chạy là số bit trong bước chạy. Trong tất cả các bước chạy của một chu kỳ của chuỗi, để thoả mãn tính chạy, cần có 1/2 bước chạy có độ dài1, 1/4 bước chạy có độ dài2, 1/8 bước chạy có độ dài 3.... tổng quát, có 1/2r bước chạy có độ dài r, với r< n –1 , và 1/2 n-1 bước chạy có độ dài n, với n là số phần tử nhớ. Tính tương quan: Nếu so sánh từng bit trong 1 chu kỳ của dãy mã với từng bit tương ứng cùng vị trí dãy mã đó, nhưng được dịch đi 1 vị trí bất kỳ thì để đảm bảo tính tương quan, số các số hạng phù hợp và số các số hạng không phù hợp chênh lệch nhau không quá 1 2.2.2 Dãy ghi dịch: Một phương pháp phổ biến nhất để tạo ra dẫy mã giả ngẫu nhiên PN chính là sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp LFSR. Dãy PN, mà bộ LFSR tạo ra có chu kỳ ( 2r – 1) với r : số phần tử nhớ, được gọi là dãy có độ dài cực đại MLSR, hay dãy m. Đồng hồ, f = 1/Tc F –F1 F – F2 F-Fn-1 F- Fn D1 D2 D3 D3 D2 0 0 1 0 1 1 1 D1 1 0 0 1 0 1 1 1 D2 1 1 0 0 1 0 1 1 D3 1 1 1 0 0 1 0 1 Trạng thái thanh ghi dịch hết chu kỳ Chuỗi ra (1 chu kỳ) a./LFSR có đa thức tạo mã: Px = x1 + x2 + x3 +..........xn b./ LFSR có đa thức tạo mã Px = 1 + x2 + x3 Hình vẽ 2.3 Sơ đồ khối bộ ghi dịch LFSR Hình vẽ 2.3,a là sơ đồ tổng quát của một bộ ghi dịch LFSR, có n Flip-Plop mắc nối tiếp thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp các cổng XOR và các khoá Ki. Sự lựa chọn giá trị N sẽ làm thay dổi độ dài của dãy PN, còn trạng thái nối thông hoặc hở mạch của khoá Ki sẽ làm thay đổi đặc tính của dãy PN( hay đa thức tạo mã). Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiẻn bởi các xung nhịp đồng hồ. Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ sẽ dịch sang phần tử nhớ bên phải. Đồng thời, nội dung của các phần tử nhớ thứ i có khoá Ki nối thông sẽ được cộng modul-2 và hồi tiếp. Trong ví dụ hình b. thì nội dung của phần tử nhớ thứ 2 và thứ 3 được cộng modul-2 và hồi tiếp về phần tử nhớ thứ1. Giả thiết trạng thái ban đầu của các FF là: 111. Các trạng thai kế tiếp sẽ là : 011 001 100 010 101 110 111 . Trạng thái cuối 111 trùng với trạng thía ban đầu, nên thanh ghi dịch hồi tiếp sẽ lặp lại sau 7 xung nhịp. Dãy bit ra trên phần tử D3 là 1110010. Người ta đã chứng minh được rằng, dãy bit đối với sơ đồ tổng quát hình a. là một dãy giả ngẫu nhiên. Ta kiểm chứng trên ví dụ hình b. bằng cách xét 3 tính chất ngẫu nhiên cho dãy bit ra ở D3 = 1110010. 1.Tính cân đối: Số chữ số “0”, No=3; số chữ số “1”, N1 = 4 Nên N1 – No = 1 thoả mãn tính chất cân đối 2.Tính chạy: Số bước chạy có độ dài 1,R1 = 2; độ dài 2, R2 = 1; độ dài3, R3 = 1. Tổng số bước chạy trong một chu kỳ, R = 4. Ta có : R1/R = 1/2; R2/R = 1/2 =1/2/2; R3/R=1/4=1/23-1 thoả mãn tính chạy. 3.Tính tương quan: Cho dãy gốc dịch đi i vị trí(i=0á6) rồi so sánh với dãy gốc ta được: Bảng tính tương quan: Dịch Dãy m Bằng(A) Khác(D) A – D 0 1110010 7 0 7 1 0111001 3 4 -1 2 1011100 3 4 -1 3 0101110 3 4 -1 4 0010111 3 4 -1 5 1001011 3 4 -1 6 1100101 3 4 -1 Gọi AS: số số hạng phù hợp( bằng nahu)của dãy bị dịch so với dãy gốc. D: số số hạng không phù hợp( khác nhau) của dãy bị dịch so với dãy gốc. q(i) = A- D (i = 1 á 6) q(i) = +7 đối với mọi giá trị dịch là bội của 7 và q(i) = -1 đối với tất cả các giá trị khác. Như vậy, thoả mãn tính tưong quan.2.3 Các hệ thống trải phổ: Có hai hệ thống trải phổ cơ bản là trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS và trải phổ nhẩy tần FH/SS. 2.3.1 Hệ thống DS/SS: Bộ tạo mã Điều chế băng rộng Tạo sóng mang Giải điềuchế giải trảiphổ Tạo sóng mang Bộ tạo mã Đồng bộ mã TB 0 1 1 Tín hiệu dữ liệu,M(t) Mã trải phổ,Ci(t) Tín hiệu trải phổ, M(t).Ci(t) Máy phát DS/SS Máy thu DS/SS Hình vẽ 2.4 Sơ đồ khối và dạng tín hiệu trong trải phổ DS/SS Trong phương pháp này, tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã trải phổ ( phép XOR phủ định), sau đó tín hiệu thu sẽ đem điều chế sóng mang băng rộng. Bộ điêu chế băng rộng thường là điều chế PSK. Phía thu sẽ sử dụng giải điều chế để nén tín hiệu trải phổ, sử dụng dãy mã nội bộ, được đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu được. Qúa trình này cụ thể như sau: - Bản tin của tín hiệu số cần phát có dạng mã lưỡng cực với Mi(t) = ± 1, được nhân trực tiếp với chuỗi mã Ci(t) được tạo ra từ bộ tạo mã giả ngẫu nhiên ci(t0 = { ci1,ci2...} Chuỗi mã giả ngẫu nhiên này nằm trong tập các chuỗi mã giả ngẫu nhiên trực giao với nhau: Cn(t) = { c1(t),c2(t),....ci(t)....} Tốc độ của bản tin được gọi là tốc độ bit, Rb, nhỏ hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuỗi mã Rc ( tốc độ chip). Chuỗi mã giả ngẫu nhiên này có độ dài L ( chip) và tốc độ chip Rc. Mỗi bit của bản tin sẽ có độ lâu: Tb = Tc.L . Do chuỗi mã Ci(t) có tốc độ chip lớn hơn rất nhiều lần so với tốc độ bit Rb của tần số cần phát. Vì thế, phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên sẽ rộng hơn rất nhiều so với phổ của tín hiệu cần sau khi nhân hai tín hiệu, ta sẽ được một tín hiệu có phổ rất rộng và biên độ mật độ phổ rất thấp. Đây gọi là qúa trình trải phổ bằng chuỗi trực tiếp DS/SS. Sau đó, tín hiệu này được đưa lên kênh vô tuyến ở phía thu quá trình diễn ra ngược lại. 2.3.2 Đa thâm nhập theo chuỗi nhẩy tần FH/S: Hệ thống FH/SS thực chất là nhẩy tần hay chuyển đổi tần số sóng mang từ giá trị này sang giá trị tần số khác. Tần số sóng mang sẽ không đổi trong khoảng thời gian của một đoạn nhẩy tần và sẽ chuyển sang một tần số mới khi sang đoạn nhẩy tần mới. Giá trị mà tần số sóng mang sẽ chuyển sang nằm trong một tập hợp các tần số, và việc tần số sóng mang nào được chọn sẽ xác định nhờ chuỗi giả tạp âm PN. Khác với hệ thống DS/SS thì chuỗi DS/SS thì chuỗi FH/SS chỉ có nhiệm vụ xác định mãu nhẩy tần. Mặt khác, hệ thống DS/SS sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống khi nó truyền dẫn, trong khi hệ thống FH chỉ sử dụng 1 phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ thời gian truyền dẫn. a. Sự khác biệt giữa DS/SS và FH/SS Điều chế băng gốc Bộ trải phổ Tổng hợp tần số Bô tạo mã Giải trải phổ Giải điều chế Tổng hợp Bộ tạo mã Bám dồng bộ b.Sơ đồ hệ thống. Hình vẽ 2.5- Hệ thống FH/SS ở phía phát, tín hiệu số nhị phân sẽ được chuyển sang tương tự nhờ bộ điều chế băng gốc( thường là điều chế FSK). Tần số sóng mang của bộ điều chế băng gốc nhỏ hơn rất nhiều so với tần số ra của bộ tổng hợp tần số . Hai tần số này được trộn với nhau để tạo ra tín hiệu truyền dẫn. Tập hợp các giá trị tần số trải dài trên 1 băng tần rất rộng. Vì thế, khi tần số truyền dẫn chỉ có giá trị xác định trong 1 khoảng thời gian nhỏ, nhưng xét trong miền thời gian, thì tín hiệu truyền dẫn sẽ chiếm một băng tần rất rộng so băng tần giành cho tín hiệu thông tin. ở phía thu, tín hiệu nhận được sẽ đổi tần xuống tần số mang băng gốc nhờ bộ tổng hợp tần số được điều khiển bởi mã trải phổ phát ra từ bộ phát mã nội bộ. Sau khi giải đều chế sóng mang băng gốc sẽ thu được tín hiệu ban đầu. Có hai hệ thống trải phổ nhảy tần là hệ thống FH/SS nhanh và hệ thống FH/SS chậm tuỳ theo tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Gọi TH là thời gian cho một đoạn nhảy và Tb là thời gian của một bit số liệu, với hệ thống FH/SS nhanh ít nhất phải có một lần nhảy ở 1 bit số liệu, nghĩa là Tb ³ TH. Còn hệ thống FH/SS chậm,một lần nhảy có thể ở hai hay nhiều bit, tức là Tb < TH . 2.4- ứng dụng lý thuyết trải phổ vào hệ thống CDMA ( hay đa thâm nhập trải phổ) 2.4.1- Các chuỗi mã trải phổ trực giao. Dãy tín hiệu giả tạp âm PN sẽ được trải phổ cùng với tín hiệu thông tin để tạo ra 1 tín hiệu có băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần cần thiết để truyền tín hiệu. Trong môi trường nhiều người dùng, mỗi người sẽ được cung cấp 1 mã giả tạp âm PN riêng. Tại phía thu, tín hiệu mong muốn sẽ xếp chồng lên các tín hiệu của kênh khác. Như vậy tất cả các tín hiệu khác với tín hiệu mong muốn dù có mang thông tin hữu ích dều sẽ bị coi là tạp âm, với tín hiệu mong muốn. Lý thuyết chứng minh rằng nếu sử dụng mã trực giao với nhau sẽ đảm bảo phía thu tách được tín hiêụ mong muốn trong môi trường đa kênh, với mức can nhiễu của các kênh khác là ít nhất. Giả sử tập các chuỗi mã giả ngẫu nhiên có dạng: Cn(t) = {C1(t),C2(t),......,Ci(t)}. Trong đó, Ci(t) là chuỗi mã giả ngẫu nhiên có dạng NRZ tốc độ chip Rc, chu kỳ Tc. Ci(t) = {Ci1,Ci2,....,Cin} với Cii = ± 1 Các chuỗi mã trong Cn(t) sẽ trực giao với nhau nếu thoả mãn điều kiện 1. Hàm tự tương quan của Ci(t) ( i = 1á n) R = .dt Có giá trị dương lớn khi dịch thời gian t = 0, và giảm dần khi tăng, trở lên âm khi dịch thời gian t lớn hơn Tc. Hàm tương quan chéo giữaCi(t) và Cj(t) (jại) được xác định: = Sẽ có giá trị âm hay dương tương đối nhỏ lý tưởng bằng không Các dãy PN trực giao thường sử dụng là: Dãy có độ cực đại ( dãy m), dãy Gold, dãy Walsh. 2.4.2-Đa thâm nhập trải phổ SSMA : Phương thức đa thâm nhập phân chia theo mã CDMA là phương thức mà ở đó mỗi người sử dụng sẽ cấp phát 1 mã duy nhất để nhận dạng với nhau trong môi trường đa người dùng chính là mã trải phổ trực giao. Do đặc điểm của hệ thống CDMA là nhiều người sử dụng chung một băng tần và tín hiệu truyền đi trong cùng 1 khoảng thời gian nên mã trải phổ phải được thiết kế để vừa có tính nhận dạng vừa đảm bảo phía thu có thể khôi phục tín hiệu mong muốn đang xếp chồng với các tín hiệu từ các kênh khác. Trong hệ thống DS-CDMA, mỗi người được phân bổ 1 mã PN duy nhất có tính tương quan chéo thấp, cho phép nhiều người sử dụng chung 1 băng tần rộng. Vì tín hiệu có ích được nhận trực tiếp với mã trải phổ, nên tính tương quan chéo thấp của mã trải phổ đảm bảo mức can nhiễu của nhiều người dùng khác sang tín hiệu mong muốn là nhỏ. Trong hệ thống FH-CDMA, mỗi người dùng cũng có một mã trải phổ duy nhất đảm bảo mẫu nhảy tần trên băng tần được cấp phát cũng mang tính duy nhất, sao cho không có hai người sử dụng có cùng tần số ở một thời gian. Khi mẫu nhảy được phân bố hợp lý cho các người sử dụng phổ tần được chiếm hầu hết các thời gian và đạt được hiệu qủa sử dụng băng tần cấp phát. 2.4.3- So sánh hệ thống CDMA với FDMA và TDMA Dung lượng: Ta sẽ so sánh dung lượng của các hệ thống FDMA, TDMA và CDMA bằng việc xây dựng các biểu thức tính toán dung lượngtrên một số giả thiết sau: các hệ thống sử dụng cùng băng tần W, hai hệ thống FDMA và TDMA có cùng số kênh vô tuyến là b, tín hiệu điều chế m, đối với các hệ thống là như nhau. Đồng thời để đơn giản ta sẽ sử dụng công thức gần đúng. +Trường hợp 1: Xét hệ thống chỉ có một ô: -Kỹ thuật FDMA: Dung lượng hệ thống sử dụng kỹ thuật FDMA được tính như sau: NFDMA = (W/b).m -Kỹ thuật TDMA: Nếu khung kênh tần số vô tuyến đựoc chia thành 3 khe thời gian,dung lượng hệ thống TDMA được tính như sau: NTDMA = 3.(W/b).m - Kỹ thuật CDMA: Dung lượng hệ thống CDMA được tính gần đúng theo: NCDMA = (W/b).m. Trong đó, Eb là năng lượng tính cho 1 bit và N0 là công suất can nhiễu. (Eb/N0)req : là tỉ số giữa năng lượng bit và công suất can nhiễu yêu cầu, và được chọn (Eb/No)req = 6,2 dB Như vậy: Kết luận: với trường mạng chỉ có 1 ô, dung lượng hệ thống TDMA là lớn nhất, sau đó đến FDMA và hệ thống CDMA có dung lượng nhỏ nhất. +Trường hợp 2: Trong trường hợp mạng có nhiều ô cần phải tính đến hệ số tái sự dụng tần số K - Kỹ thuật FDMA: NFDMA =(W/b).m.(1/KFDMA) k=7 - Kỹ thuật TDMA : NTDMA = 3.(W/b).m.(1/KTDMA) k=3 - Kỹ thuật CDMA: NCDMA = (W/b).m. Với hệ thống CDMA, cho phép các ô bên cạnh sử dụng chung tần số mà không gây can nhiễu dáng kể, nên KCDMA = 1. Như vậy: ằ 1,25 ằ 0,24 Kết luận: Với trường hợp mạng nhiều ô, dung lượng hệ thống TDMA là lớn nhất sau đó đến CDMA và cuối cùng là hệ thống FDMA. + trường hợp thứ 3: Tăng dung lượng hệ thống CDMA nhờ việc chia các ô thành các đoạn ô (sector) và tính tích cực thoại. Với việc sử dụng bộ mã hoá tốc độ biến đổi, không truyền tín hiệu khi không có sự tích cực thoại nếu như tỉ lệ thời gian tích cực thoại đạt 40%, dung lượng hệ thống CDMA sẽ tăng lên 2,5 lần. Các hệ thống FDMA và TDMA do sự phân phối kênh truyền cứng ,người sử dụng sẽ chiếm chọn băng tần hay một khe thời gian trong suốt quá trình đàm thoại ngay cả khi không có sự tích cực thoại, nên sẽ không khai thác được tham số này. Đồng thời, nếu mỗi ô dược chia làm 3 đoạn ô( sector), dung lượng hệ thống sẽ tăng lên 3 lần. Hệ thống FDMA và TDMA chỉ làm giảm nhiễu nhờ biện pháp này mà không làm tăng dung lượng. Như vậy, dung lượng hệ thống CDMA là: NCDMA= (W/b).m. Lúc này, ta có: Kết luận: Với trường hợp mạng có nhiều ô, mỗi ô được chia thành 3 đoạn ô, có tính đến yếu tố tích cực thoại thì dung lượng hệ thống là lớn nhất(gấp 10 lần hệ thống FDMA và gấp gần 2 làn hệ thống TDMA) ảnh hưởng của fadinh nhiều tia: Trong môi trường vô tuyến,tín hiệu truyền tới đích ngoài đường trực tiếp còn có thể theo con đường phản xạ qua các vật thể trung gian trên đường truyền. Với hệ thống FDMA, tín hiệu phản xạ trễ có thể ngược chiều với tín hiệu trực tiếp tại thời điểm này và có thể cùng chiều tại thời điểm khác. Điều này, làm cho cường độ tín hiệu thu đựoc không ổn định.Với hệ thống TDMA, tín hiệu phản xạ đến trễ có thể làm giãn xung phía thu và gây can nhiễu đễn các khe thời gian lân cận. Còn với hệ thống CDMA, các thuộc tính hệ thống có thể làm giảm ảnh hưởng của pha đinh nhiều tia. Khi tín hiệu trễ đến muộn hơn so với tín hiệu trực tiếp một khoảng lớn hơn thời gian 1 chip, do tính tương quan của các mã trải phổ, khi giải trải phổ có thể loại bổ được tín hiệu trễ. Tuy nhiên, khi sử dụng kỹ thuật thu RaKE, hệ thống CDMA có thể lợi dụng các tín hiệu nhiều đường (phản xạ) này, cộng các tín hiệu nhiều đường yếu để thu được tín hiệu mạnh hơn. Nhiễu băng hẹp: Với các hệ thống FDMA và TDMA sử dụng băng tần hẹp có ảnh hưởng khá lớn và có thể làm sai lệch tín hiệu thông tin tại thời diễm xuất hiện nhiễu. Với hệ thống CDMA, tín hiệu trải phổ ít nhậy cảm với nhiễu băng hẹp, Phía thu nhiễu băng hẹp cũng bị trải phổ, làm cho mật độ phổ công suất của nó bị trải ra trên một khoảng rộng, do vậy nó xuất hiện như một nhiễu nên với tín hiệu thông tin. Dung lượng mềm Hệ thống FDMA và TDMA có giới hạn dung lượng cứng. Khi đạt đến dung lượng thiết kế, những người sử dụng thừa bị từ chối. Còn hệ thống CDMA có giới hạn dung lượng mềm. Khi dung lượng vượt quá giới hạn ,hệ thống sẽ hoạt động ở tình trạng quá tải và vẫn có thể tiếp nhận thêm người dùng bằng việc chấp nhận tỉ lệ lỗi bit cao hơn mức trung bình hay giảm tốc độ mã hoá số liệu.Điều này đồng nghĩa với việc giảm chất lượng cuộc thoại Tính bảo mật Đây là hệ thuộc tính của hệ thống CDMA. Mã trải phổ có tính chất giả ngẫu nhiên, tức chỉ hiểu được với bên phát và bên thu mong muốn, và xuất hiện như 1 tín hiệu ngẫu nhiện với các bên thu khong mong muốn. Chuyển giao mềm Với hệ thống FDMA và TDMA, thực hiện nguyên tắc”xoá trước khi nối” tức giải phóng kênh cũ trước khi chuyển sang kênh mới. Điều này có thể khiến cuộc gọi bị gián đoạn, thậm chí có thể rớt cuộc gọi nếu kênh mới chuyển giao có chất lượng xấu. Hệ thốngCDMA có thể thực hiện chuyển giao mềm theo nguyên tắc “nối trước khi xoá”, giữa các ô sử dụng cùng 1 kênh tần số. Lúc này, Máy di động có thể cùng truyền thông với hai hay nhiều trạm gốc cho đến khi hoàn thành chuyển giao, đảm bảo chuyển giao thành công không bị gián đoạn cuộc thoại Vấn đề gần xa Vấn đề gần xa là một nhược điểm của hẹ thống CDMA so với hệ thống FDMA và TDMA Vấn đề gần xa được trình bày như sau: Khi hai người sử dụng có khoảng cách khác nhau tới trạm gốc BS đang truyền thông thì công suất của hai người này tại trạm gốc sẽ khác nhau do có suy giảm đường truyền. Chẳng hạn nếu công suất của một người sử dụng nào đó tại trạm gố lớn hơn 10 lần công suất phát của các người sử dụng khác thì nhiễu giao thoa do người sử dụng này gây ra tương đương với nhiễu của 10 người sử dụng khác. Như vậy, dụng lượng của hệ thống đã giảm đi một lượng bằng 9. Do đó, vấn đề điều khiển công suất được đặt ra ở hệ thống CDMA để đảm bảo công suất thu được ở trạm gốc là bằng nhau với các người sử dụng có khoảng cách khác nhau. Chương 3 Giao Diện Vô Tuyến Của Hệ Thống CDMA 3.1.Kênh vật lý. Hệ thống CDMA số băng hẹp hoạt động ở băng tần 800Mhz. Dù các kênh vô tuyến CDMA được số hoá, thì truyền dẫn vẫn là song công tần số với khoảng cách biệt giữa kênh hướng đi và kênh hướng về là 45Mhz. Băng tần hướng đi dành cho BS là từ 869á894Mhz, băng tần hướng về dành cho MS là từ 824á849Mhz. Mỗi một kênh vô tuyến CDMA có độ rộng băng tần là 1.25 Mhz và được xác định trên cơ sở của tần số vô tuyến và chuỗi mã Wash được sử dụng để nhận dạng cho kênh đường đi, trong khi các mã dài với độ lệch thời gian khác nhau được sử dụng để nhận dạng kênh đường về 3.2. Kênh logic. Khác với hệ thống kỹ thuật ghép kênh FDMA(hay TDMA) ở đó mỗi kênh vật lý được chia thành nhiều kênh logic chiếm các khoảng thời gian khác nhau.Thì đối với hệ thống thông tin di động CDMA một kênh logic sẽ chiếm trọn vẹn băng tần cũng như thời gian của kênh vật lý. Các kênh logic sẽ mang một thông tin nào đó, phân chia thành các đường đi(từ trạm gốc BS đến trạm di động MS) và đường về(từ MSđếnBS)còn gọi là các kênh đường lên. Kênh hướng đi gồm 1 kênh hoa tiêu ,1 kênh đồng bộ, có thể có 55 kênh lưu lượng và 7 kênh nhắn tin(hình vẽ 3.1). Các kênh hoa tiêu và kênh đồng bộ phục vụ sự khởi tạo của MS. ở trạng thái chờ, MS cần đến kênh nhắn tin phục vụ việc truy cập vào mạng để thiết lập cuộc gọi.Trạm gốc dùng sự lệch thời của kênh hoa tiêu để làm căn cứ cho MS nhận dạng kênh hướng đi (có 512 lệch thời gian khác nhau). Mỗi một trạm gốc có một giá trị lệch thời khác nhau. Lệch thời gian được sử dụng trong quá trình chuyển giao. Mỗi khi MS bật nguồn, kênh đồng bộ cung cấp cho MS các tin tức định thời và tin tức về cấu hình hệ thống, Kênh đồng bộ cũng dùng một mã trải phổ PN với cùng lệch thời gian như kênh hoa tiêu. Trên kênh đồng bộ có tin tức về tốc độ kênh nhắn tin và lệch thời của chuỗi PN hoa tiêu.Trạm gốc dùng kênh nhắn tin để gửi tin tức mào đầu và thông tin nhận dạng thêu bao. Khi MS đã có thông tin từ kênh đồng bộ, nó sẽ điều chỉnh định thời của nó và bắt đầu theo dõi kênh nhắn tin(9,6 hay4,8). Kênh nhắn tin có 4 bản tin quan trọng sau: - Bản tin thông số hệ thống cung cấp thông tin cho việc giám sát kênh hoa tiêu và điều khiển công suất. - Bản tin thông số thâm nhập: chứa thông tin về kênh thâm nhập - Bản tin danh sách ô kề cận: chứa thông tin về ô kề cận. -Bản tin danh sách CDMA: liệt kê phân định tần số cho các KNT. Chức năng nổi bật của kênh nhắn tin là tìm gọi MS khi có cuộc gọi đến, cũng như cung cấp các thông tin cần thiết để MS thâm nhập vào hệ thống Kênh lưu lượng hướng đi dùng để truyền lưu lượng của thuê bao hay báo hiệu phục vụ cho cuộc gọi. Kênh lưu lượng phát đi dược chia thành các nhóm điều khiển công suất. Kênh lưu lượng có các tốc độ truyền dẫn 9600, 4800, 2400 hay 1200b/s. Khung kênh lưu lượng đường đi dài 20ms. Trong sơ đồ cấu trúc kênh CDMA hướng đi, có 64 kênh dùng chung đồng thời dải tần 1,23Mhz, các kênh đó phân biệt với nhau bởi mã nhận dạng Walsh. Có 64 mã Walsh trực giao nhau để cung cấp sự nhận dạng duy nhất cho mỗi kênh hướng đi và để thực hiện điều chế các tín hiệu cho các kênh hướng về Trạm gốc liên tục theo dõi kênh tham nhập hướng về để sẵn sàng đón bản tin yêu cầu thâm nhập của BS. Kênh hướng về bao gồm kênh thâm nhập và kênh lưu lượng. Khi chưa được cấp phát kênh lưu lượng thì MS dùng kênh thâm nhập để liên lạc với trạm gốc. Kênh thâm nhập có tốc độ 4800Kb/s. Kênh lưu lượng về cũng được điều khiển động để tốc độ bit thay đổi theo sự tích cực thoại 9600, 4800, 2400, 1200b/s. Các kênh logic đường đi 1,23 Mhz KTH KNT 1 KNT 7 KLL 1 KLL N KLL 24 KĐB KLL 25 KLL 55 Số liệu lưu lượng Kênh con điều khiển W0 W1 W7 W8 W31 W32 W33 W63 Sắp xếp các kênh logic trên các kênh vật lý cho đường đi và đường về như hình vẽ sau KHT: Kênh hoa tiêu KLL: Kênh lưu lượng. KĐB: Kênh đồng bộ KNT: Kênh nhắn tin Wi: Hàm Walsh thứ i Hình vẽ 3.1 – Sắp xếp kênh logic trên kênh hướng đi. Các kênh logic đường về 1,23 Mhz KTN 1 KTN N KLL 1 KLL M Sử dụng các mã giả tạp âm dài để phân biệt các kênh KNT: Kênh thâm nhập KLL: Kênh lưu lượng Nmax = 32, Mmax = 62. Hình vẽ3.2- Sắp xếp kênh logic hướng về 3.2.1 – Kênh CDMA hướng về: MS sẽ truyền thông với BS qua kênh thâm nhập hoặc kênh lưu lượng về. KNT được sử dụng để thực hiện khởi xướng cuộc gọi, xử lý các chỉ thị, trả lời nhắn tin. Sau khi truyền thông thoại hay số liệu được thiết lập, tất cả thông tin sẽ được truyền trên kênh lưu lượng về. + Kênh thâm nhập(KTN). Kênh thâm nhập đảm bảo thông tin từ trạm di động đến trạm gốc khi trạm di động không sử dụng kênh lưu lượng về. Các bản tin trong kênh thâm nhập cung cấp các thông tin về: Khởi xướng cuộc gọi, trả lời nhắn tin, các chỉ thị và đăng ký. Kênh thâm nhập hoạt dộng ở tốc độ cố định 4800bit/s trong các khung có độ lâu 20ms. Mỗi khung KTN chỉ bắt đầu với bội số nguyên 20ms của thời gian hệ thống. Mỗi khung chứa 88 bit thông tin và 8 bit đuôi. Thân khung chứa các bit thông tin Bit đuôi 88 8 96bit/20ms Hình vẽ 3.3- Cấu trúc khung của kênh lưu lượng Một khe kênh thâm nhập gồm một mào đầu kênh thâm nhập (preamble) có độ dài là 1 + PAM_SZ khung chứa toàn bit “0”, theo sau là một góc bản tin KTN có độ dài là 3 + MAX_CAP_SZ khung. Toàn bộ một bản tin kênh thâm nhập sẽ chỉ truyền trên một khe KTN có độ dài lớn nhất là: 4+ PAM_SZ + MAX_CAP_SZ khung Giá trị của PAM_SZ và PAM_CAP_SZ thu được trên kênh nhắn tin và được MS lưu trữ. Một khe KTN sẽ bắt đầu tại 1 khung KTN mà thoả mãn: t mod (4 + PAM_SZ + MAX_CAP_SZ) = 0 với t : thời gian hệ thống tại khung đó Lưu ý rằng : Các kênh thâm nhập sẽ liên kết với một kênh nhắn tin riêng có cùng độ dài khe thời gian, các khe này bắt đầu ở cùng thời điểm. Độ dài của khe thời gian có thể không giống nhau ở các trạm gốc khác nhau. Một trạm di động sẽ phải xác định độ dài khe kênh thâm nhập trước khi phát. Mào đầu KTN(preamble) có độ dài (1 + PAM_SZ)´96 bit và chứa toàn bit “0”. Gói bản tin kênh thâm nhập gồm bản tin kênh thâm nhập và phần đệm. Bản tin kênh thâm nhập chứa: trường độ dài 8 bit xác định độ dài của bản tin theo byte, thân bản tin có độ dài 2á824 bit và mã CRC 30 bit. Theo sau bản tin là phần đệm (padding) gồm toàn bit “0” để đảm bảo khung luôn kết thúc trọn vẹn(tức là phần kết thúc của gói tin trùng với phần kết thúc của khung bất kỳ). Trường độ dài bản tin MSG-LENGTH sẽ xác định độ dài theo byte của thân nó cộng với trường thân bản tin MSG-BODY và CRC. Các bit kiểm tra CRC được tính trên phần trường độ dài thân bản tin và sử dụng đa thức. G(x) = X30 + X29 + X21 + X20 + X15 + X13 + X12 + X11 + X8 + X7 + X6 + X2 + X +1 Khung KTN Khung KTN Khung KTN Khung KTN Thân khung T T Thân khung T Bản tin KTN Đệm 0...0 MSG_LENGTH MSG_BODY CRC PAM_SZ : là thông số xác định độ dài mào đầu theo khung (0á15) MAX_CAP_SZ: là thông số xác định kích cỡ gói bản tin(0á7) T: Bit đuôi của bộ mã hoá MSG_LENG: trường độ dài bản tin MSG_BODY: Trường thân bản tin Hình vẽ 3.4 Cấu trúc kênh thâm nhập +Kênh lưu lượng về Thông tin trên kênh lưu lượng về gồm lưu lượng sơ cấp ( thoại hay số liệu) và lưu lượng thứ cấp ( số liệu ) và báo hiệu. Kênh lưu lượng về sử dụng các khung có độ dài là 20ms. Kênh lưu lượng về sẽ hỗ trợ các bit thay đổi như sau: - Tốc độ 9600bit/s gồm 192 bit tin trong khung 20ms, trong đó có 172 bit thông tin, theo sau là 12 bit chỉ thị chất lượng khung CRC và cuối cùng là 8 bit đuôi của bộ mã hoá. - Tốc độ 4800 bit/s gồm 96 bit trong khung 20ms đó có 80 bit thông tin, 8 bit CRC, 8 bit đuôi . - Tốc độ 2400bit/s gồm 48 bit trong khung 20ms với 40 bit thông tin và 8 bit đuôi. Tốc độ này không sử dụng CRC. - Tốc độ 1200 bit/s gồm 24 bit trong khung 20ms với 16 bit thông tin và 8 bit đuôi.Dữ liệu truyền ở tốc độ này không sử dụng CRC. Đối với hai tốc độ 9600bit/s và 4800bit/s trường CRC được tính cho các bit thông tin, nhưng không tính cho bản thân CRC và các bit tin đuôi. Đa thức sinh cho việc tính CRC của tốc độ 9600bit/s là: G(x) = 1 + X + X4 + X8 + X9 + X10 + X11 + X12 Và đa thức sinh cho tính CRC với tốc độ 4800bit/s là: G(x) = 1 + X3 + X4 + X7 + X8 3.2.2 Kênh hướng đi Tín hiệu được truyền từ một trạm gốc BS tới trạm di động MS qua các kênh hướng đi gồm kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ, kênh nhắn tin, kênh lưu lượng đi. +Kênh hoa tiêu (Pilot channel) Kênh hoa tiêu có tốc độ 19,2Kbps, mỗi khung dài 20ms. Kênh hoa tiêu là tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp không bị điều chế, được trạm gốc phát đi liên tục. Kênh hoa tiêu cho phép trạm di động nhận được định thời của kênh CDMA đường đi, cung cấp chuẩn pha để giải điều chế nhất quán và đảm bảo chuẩn để so sánh cường độ tín hiệu giữa các trạm gốc nhằm quyết định chuyển giao. Các mã hoa tiêu PN là một cặp các chuỗi PN có chu kỳ 215 được sử dụng để trải phổ kênh CDMA đường đi và kênh CDMA đường về. Các trạm gốc khác nhau được nhận dạng theo sự dịch pha các chuỗi hoa tiêu của._. lưu lượng phát đi từ 2 trạm gốc khác nhau. Máy thu Rake sẽ làm nhiệm vụ kết hợp với hai tín hiệu này. Máy thu Rake sẽ xem đường đến từ trạm BS mới như là 1 đường cần kết hợp tối ưu với đường tín hiệu của trạm cũ. 4.2 Chuyển giao: 4.2.1 Các khái niệm chung về chuyển giao: Trong hệ thống thông tin di động tổ ong, chuyển giao xảy ra khi trạm di động đang di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của trạm gốc và đi vào vùng phủ sóng của 1 trạm gốc khác. Quá trình chuyển giao xảy ra ở biên giới của ô. Mục đích của chuyển giao là đảm bảo chất lượng đường chuyển, khi một trạm MS rời xa trạm gốc đang phục vụ nó. Khi đó, MS phải chuyển lưu lượng sang 1 kênh mới thuộc trạm gốc lân cận khác. ở CDMA tồn tại hai dạng chuyển giao mềm và hhai dạng chuyển giao cứng. 1. chuyển giao mềm giữa các ô khác nhau sử dụngchung kênh tần số 2. Chuyển giao mềm hơn giữa các đoạn ô của cùng 1 ô. 3. Chuyển giao giữa 2 hệ thống không được đồng bộ và không sử dụng chung kênh tần số. 4. Chuyển giao cứng giữa hệ thống CDMA đến hệ thống tượng tự (chỉ áp dụng cho MS hoạt ở hai chế độ: tương tự và CDMA ) Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa trên nguyên tắc “ Nối trước khi xoá), trong đó trạm di động bắt đầu chuyển thông với 1 trạm gốc mà vẫn chưa cắt thông tin với trạm gốc cũ. Chuyển giao mềm chỉ có thể thức hiện khi trạm gốc mới và cũ đều làm việc ở cùng một kênh tần số. Cho nên trạm di động không cần thay đổi kênh tần số khi nó chuyển sang 1 ô khác. Như vậy chuyển giao chỉ có thể thực hiện ở hệ thống thông tin di động CDMA, trong đó cho phép sử dụng chung tần số ở hai trạm gốc kề cận mà không nhiễu đáng kể. Trong quá trình di động, MS sẽ liện tục giám sát công suất của các trạm gốc kế cận. Khi phát hiện một trạm gốc có công suất đủ lớn(so sánh công suất của trạm gốc hiện thời MS sẽ thông báo điều này cho trạm gốc hiện thời. Trạm gốc này sẽ thông báo với trung tâm chuyền mạch để cho phép trạm gốc thứ hai cùng phát và thu lưu lượng từ trạm di động. Như vậy trong qua trình chuyển giao MS sẽ chuyền thông đồng thời với hai trạm gốc. ở đường đi (đường xuống) máy thu Rake của MS sẽ kết hợp với hai tín hiệu từ hai trạm gốc này để có được một tín hiệu với chất lượng tốt hơn. ở đường về(đường lên) mỗi trạm gốc sẽ giải điều chế và giải mã khung tiếng một cách độc lập rồi gửi chúng đến trung tâm chuyển mạch để chọn ra khung tốt hơn. Như vậy chuyển giao mềm sẽ không bất kỳ ngắt quãng nào và sẽ không làm mất đi bát kỳ bit thông tin nào như với chuyển giao cứng. Trong hệ thốngCDMA,còn có chuyển giao mềm hơn trong 1 ô khi mà MS di chuyển từ anten định hướng này sang anten định khác của cùng một trạm gốc. Thông thường một trạm gốc được thiết kế sao cho 1 anten sẽ phát và thu trong 1 cung 600 hay 1200 thay vì trong cả vùng phủ sóng3600. Với vùng phủ sóng 3600 sẽ cần nhiều anten mỗi cung mà một anten phủ sóng gọi là 1 đoạn ô, và chuyển giao mềm hơn được thực hiện khi MS di chuyển đến 1 biên giới của 1 đoạn ô. Chuyển giao cứng. Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển lưu lượng sang 1 kênh tần số mới.Các hệ thống thông tin tổ ong FDMA và TDMA đều chỉ sử dụng phương thức chuyển giao này. Chuyển giao cứng thực hiện trên nguyên tắc”nối trước khi xoá”, trong đó kết nối với kênh cũ bị xoá trước khi kết nối với kênh mới được thực hiện. Nhược điểm của chuyển giao cứng là có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng của kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong kênh cũ đã bị cắt. Các sơ đồ chuyển giao cứng ở CDMA bao gồm: + Chuyển giao CDMA đến CDMA: trạm di động chuyển dịch giữa các ô làm việc ở các tần số CDMA khác nhau. + Chuyển giao cứng giữa CDMA đến tương tự: trạm di dộng chuyển kênh lưu lượng sang kênh tiếng tương tự. 4.2.2 Các thủ tục chuyển giao mềm ở hệ thống IS – 95: a/Tổng quan: Xét đến khía cạnh địa lý, chuyển giao thực hiện khi MS di chuyển đến biên giới của hai trạm gốc. Còn xét về nguyên lý hoạt động, thì chuyển giao là quá trình MS chiếm kênh hoa tiêu mới có cường độ trường thích hợp và tiến hành truyền thông với trạm gốc mới phát kênh hoa tiêu này trong khi vẫn tryền thông với trạm gốc hiện thời. Trong hệ thống CDMA IS –95 để phục vụ tốt hơn việc chuyển giao các kênh hoa tiêu được phát hiện được đưa vào các nhóm khác nhau: nhóm tích cực nhóm ứng cử nhóm kề cận nhóm còn lại. Chuyển giao mềm chỉ có thể thực hiện với các kênh hoa tiêu với các nhóm tích cực. Quá trình chuyển kênh hoa tiêu vào/ra nhóm tích cực, đồng thời việc chuyền giao mềm với kênh hoa tiêu chuyển vào được thực hiện ở các bước sau. 1. Gửi bản tin đo cường độ trường(đường lên): Trạm di động liên tục tìm kiếm các KHT mới và do cường độ trường của KHT này, nhưng nó chỉ gửi bản tin đo cường độ trường đến trạm gốc ở 1 trong các trường hợp sau: + Cường độ 1 kênh hoa tiêu trom nhóm lân cận và nhóm còn lại vượt quá ngưỡng T_ADD. + Cường độ một kênh hoa tiêu trong nhóm ứng cử vượt qua cường độ 1 KHT trong nhóm tích cực 1 lượng là T_COMP. +Một kênh hoa tiêu ở nhóm tích cực giảm thấp hơn ngưỡng (T_DROP) trong suốt khoảng thời gian giảm ngưỡng chuyển giao T_TDROP. Trong hai trường hợp đầu,kênh hoa tiêu sẽ được chuyển vào nhóm tích cực còn hai trường hợp cuối kênh hoa tiêu sẽ chuyển ra khỏi nhóm tích cực. 2.Bản tin hướng dẫn chuyển giao. Khi nhận được bản tin đo cường độ trường trạm gốc sẽ chuyển đến trung tân chuyển mạh MSC. MSC có thể quyết định hướng dẫn trạm MS chiếm kênh hoa tiêu mới nếu bản tin đo cường độ trường này phát đi ứng với 1 trong hia trường hợp đầu tiên ở bên trên. Với trường hợp thứ 3, MSC sẽ quyết định MS phải xoá kênh hoa tiêu có cường độ thấp khỏi nhóm tích cực của nó, từ bỏ viêc truyền thông với trạm gốc phát đi KHT này, MSC sẽ ra lệch cho trạm gốc gửi tới MS bản tin hường dẫn chuyển giao. Bản tin f gồm: - Số trình tự của bản tin hướng dẫn chuyển giao. - ấn định tần số của kênh CDMA - Nhóm tích cực (chứa cả KHT mới và cũ) - Kênh mã (mã Walsh) liên kết với mỗi KHT trong nhóm tích cực. - Kích thước cửa sổ tìm kiếm cho nhóm tích cực và nhóm ứng cử. - Ngưỡng phát hiện kênh hoa tiêu (T_ADD). - Ngưỡng xoá kênh hoa tiêu (T_DROP). - Giá trị đồng hồ giản chuyển giao(T_TDROP) - Ngưỡng so sánh giữa nhóm tích cực và nhóm ứng cử (T_COMP). 3.Bản tin hoàn thành chuyển giao (đường lên). Khi trạm di động đã nhận được bản tin chuyển giao từ trạm gốc hiện thời, nó thực hiện chiếm trạm gốc mới trong khi, vẫn duy trì truyền thông với trạm gốc hiện thời. Bây giờ nhóm tích cực chứa cả KHT của trạm gốc hiện thời và trạm gốc cũ sau khi chiếm trạm gốc mới trạm di động sẽ gửi bản tin hoàn thành chuyển giao đến cả hai trạm gốc. b/Các nhóm kênh hoa tiêu. Hệ thống CDMA IS –95 định nghĩa một nhóm kênh hoa tiêu có thể sẽ sử dụng phục vụ quá trình chuyển giao. - Nhóm tích cực chứa các KHT liên kết với các kênh lưu lượng đường xuống( hàmWalsh) được ấn định cho trạm di động trạm gốc thông báo cho trạm di động nội dung của nhóm tích cực bằng bản in ấn định kênh hay bản tin hướng dẫn chuyển giao. - Nhóm ứng cử: Nhóm này chứa các kênh hoa tiêu hiện thời không nằm trong nhóm tích cực nhưng cường độ tín hiệu thu được từ các KHT này đủ lớn để có thể chứng tỏ các KLL đường xuống có thể được giải điều chế thành công. - Nhóm kề cận: Nhóm này chứa các KTH hiện thời không nẳm trong nhóm tích cực cũng như nhóm ứng cử và có thể là ứng cử cho chuyển giao. Danh sách ban đầu của các kênh kế cận được gửi tới trạm di động ở bản tin thông số hệ thống trên kênh nhắn tin. - Nhóm còn lại: chứa tất cả các KTH trong hệ thống trừ các kênh của nhóm tích cực, nhóm ứng cử và nhóm kề cận. c/Duy trì các nhóm kênh hoa tiêu: +Các ngưỡng chuyển giao: Trạm di động sẽ theo dõi cường độ trường của tất cả các kênh hoa tiêu trong hệ thống sau đó cường độ này được so sánh với các ngưỡng khác nhau. Nếu kết thúc một khoảng thời gian cho trước mà cường độ KHT vẫn ổn định thì KHT này sẽ được chuyển vào nhóm này hay nhóm khác tuỳ thuộc vào cường độ tín hiệu của nó so với các ngưỡng nói trên Kênh hoa tiêu sẽ được chuyển lần lượt vào các nhóm khác nhau thể hiện qua hình vẽ 4.2: Hình vẽ này thể hiện 7 bản tin chuẩn được trao đổi giữa MS và BS trong qúa trình chuyển giao: (1) Cường độ KTH trong nhóm kề cận vượt qúa T_ADD,MS gửi bản tin đo cường độ hoa tiêu và chuyển KHT sang nhóm ứng cử . (2) BS gửi đi bản tin hướng dẫn chuyển giao (3) MS chuyển KHT sang nhóm tích cực và gửi đi bản tin hoàn thành chuyển giao (4) Khi cường độ KHT giảm thấp hơn ngưỡng T_DROP, MS khởi động đồng hồ giảm chuyển giao. (5) Đồng hồ giảm chuyển giao chạy hết, MS gửi đi bản tin đo cường độ trường. (6) BS gửi đi bản tin hướng dẫn chuyển giao (7) MS chuyển KHT từ nhóm tích cực sang nhóm kề cận và gửi đi bản tin hoàn thành chuyển giao Hình vẽ 4.2 Quá trình chuyển nhóm KHT thay đổi cường độ. +Cửa sổ tìm Trạm di động sẽ tìm kiếm ( đo cường độ trường)kênh hoa tiêu trong khoảng thời gian cho trước được xác định bằng số chip của chuỗi hoa tiêu PN được gọi là cửa sổ tìm. Tín hiệu nhiều tia trong cửa sổ tìm Các cửa sổ tìm 32.768[chip] Chuỗi hoa tiêu PN Hình 4.3 – Các cửa sổ tìm Khi tìm một kênh hao tiệu, trạm di động không thể giới hạn đến thời gian dịch chính xác của chuỗi hoa tiêu PN do hiện tượng pha đinh nhiều tia. Các dịch thời gian của chuỗi hoa tiêu PN liên quan đến phản xạ nhiều tia sẽ trễ so với tia đi thẳng vài chip. Trạm di động sẽ định tậm của cửa sổ tìm kiếm cho mỗi kênh hoa tiêu trong nhóm tích cực và nhóm ứng cử xung quanh phần tử của tia đến sớm nhất. Kích thước của cửa sổ được xác định theo số chip của chuỗi hoa tiêu PN. Trạm di động cũng cần định tậm cửa sổ cho mỗi kênh hoa tiêu của nhóm kế cận và nhóm còn lại xung quanh dịch thời chuỗi hoa tiêu sử dụng chuẩn thời gian của trạm di động. +Trình từ tìm: Mỗi kênh hoa tiêu trong nhóm ứng cử chỉ được tìm sau khi đã tìm tất cả các kênh hoa tiêu trong nhóm tích cực. Một kênh hoa tiêu trong nhóm kế cận chỉ được tìm sau khi đã tìm tất cả các kênh hoa tiêu trong nhóm ứng cử. Một hoa tiêu trong nhóm còn lại chỉ được tìm sau khi đã tìm hết các hoa tiêu trong nhóm kế cận. +Duy trì các nhóm hoa tiêu: - Duy trì nhóm tích cực: Khi trạm di động được cấp phát kênh lưu lượng lần đầu, nhóm tích cực chỉ chứa 1 KHT mà liên kết với KLL đường xuống đã cấp phát. Khi trạm di động xử lý bản tin hướng dẫn chuyển giao, nó sẽ thay thế nhóm tích cực bằng một danh sách các hoa tiêu trong bản tin này. Nhóm tích cực có thể chứa đến 6 hoa tiêu. -Duy trì nhóm ứng cử: Khi trạm di động lần đầu được cấp phát 1 KLL đường xuống nhóm ứng cử không chứa KHT nào cả. Một kênh hoa tiêu, Px được bổ xung vào nhóm ứng cử từ các nhóm khác như sau: KHT Pa thuộc nhóm tích cực được bổ xung vào nhóm ứng cử khi: bản tin hướng dẫn chuyển giao không chứa Pa và đồng thời giảm Pa (TTdrop)chưa chạy hết. - KHT PN thuộc nhóm kế cận được bổ xung vào nhóm tích cực khi: cường độ của kênh này vượt ngưỡng phát hiện hoa tiêu (T_ADD). KHT Pr thuộc nhóm còn lại được bổ xung vào nhóm tích cực khi : cường độ của kênh này vượt ngưỡng phát hiện hoa tiêu (TADD). Một hoa tiêu, Pc của nhóm ứng cử bị chuyển ra khi: -Bản tin hướng dẫn chứa một hoa tiêu của nhóm ứng cử,Pc (Pc chuyển lên nhóm tích cực. -Đồng hồ thời gian giảm chuyển giao tương ứng với một kênh hoa tiêu của nhóm ứng cử, Pc, đã chạy hết (Pc chuyển xuống nhóm kế cận). -Kích thước của nhóm ứng cử bị vượt quá, hoa tiêu Pc có đồng hồ thời gian giảm chuyển giao gần thời điểm chạy hết sẽ bị xoá khỏi nhóm ứng cử (chuyển xuống nhóm kế cận). Duy trì nhóm kế cận: Khi trạm di động lần đầu được cấp phát kênh lưu lượng đường xuống, nhóm kế cận chỉ chứa các hoa tiêu được liệt kê trong bản tin danh sách kế cận mà thu được mới nhất tái sinh. Trạm di động sẽ duy trì một bộ đếm tuổi, AGE, cho từng hoa tiêu ở nhóm kế cận. Nếu một hoa tiêu chuyển từ nhóm tích cực hay nhóm ứng cử đến nhóm kế cận, bộ đếm này sẽ khởi động lại từ 0. Nhưng nếu có một hoa tiêu chuyể từ nhóm còn lại đến nhóm kế cận thì bộ đếm sẽ được lập vào giá trị cực đại. Trạm di động sẽ bổ xung một hoa tiêu ở các nhóm khác vào nhóm kế cận trong các điều kiện sau. - Kênh hoa tiêu có trong bảng danh sách kênh kế cận nhưng chưa có ở nhóm ứng cử hoặc nhóm kế cận. - Một kênh hoa tiêu thuộc nhóm tích cực không có trong bản tin hướng dẫn chuyển giao và thời gian giảm chuyển giao đã hết. - Thời gian giảm chuyển giao của một hao tiêu trong nhóm ứng cử đã hết. - Một hoa tiêu bổ xung cho nhóm ứng cử làm kích thước của nhóm này bị vượt quá. Trạm di động sẽ xoá một hoa tiêu ra khỏi nhóm kế cận khi: - Bản tin hướng dẫn chuyển giao chứa một hoa tiêu từ nhóm kế cận hiện hành (chuyển lên nhóm tích cực). - Cường độ của một hoa tiêu trong nhóm kế cận vượt quá ngưỡng T_ADD(chuyển xuống nhóm còn lại). - Một hoa tiêu bổ xung cho nhóm kế cận làm kích thước của nhóm này bị vượt quá (chuyển xuống nhóm còn lại). - Tuổi (age) của một hoa tiêu thuộc nhóm kế cận vượt quá giá trị cực đại của bộ đếm age(chuuyển xuống nhóm còn lại). d./ Xử lý kênh lưu lượng. + Xử lý kênh lưu lượng đường xuống: Tất cả các kênh lưu lượng ấn định cho trạm di động vầ các hoa tiêu liên kết trọng nhóm tích cực ddều mang cùng một thông tin lưu lượng trừ kênh con điều khiển công suất. Khi nhóm tích cực chứa hai hay nhiều hoa tiêu, trạm di động phải đảm bảo phân nhóm bằng cách kết hợp các kênh lưu lượng đường xuống liên kết như mô tả trong hình vẽ đưới đây(hình 4.4) Trạm gốc B PN(t – Tb) Wj(t) Trạm gốc A PN(t – Ta) Wi(t) PN(t-Tb – Pb) Wj(t –Pb) PN(t-Ta – Pa) Wi(t –Pa) Kết hợp phân nhóm ở trạm di động Ký hiệu : -PN(t – Ta),PN(t – thiết bị): các chuỗi hoa tiêu dịch thời Ta và thiết bị -Wi(t),Wj(t): các mã Walsh -Pa,Pb: trễ truyền lan Hình 4.4 : Kết hợp phân tập các KLL đường xuống ở trạm di động + Xử lý kênh lưu lượng đường lên (chuyển giao giữa các cell): Trong quá trình chuyển giao giữa các cell, trạm di động phát cùng một thông tin đến cả hai trạm gốc. Mỗi trạm gốc nhận được thông tin từ trạm di động với độ trễ truyền lan khác nhau(hình 4.5). Khi này các trạm gốc sẽ gửi tín hiệu thu được đến bộ mã hoá tiếng/chọnlựa. Bộ này sẽ chọn khung tốt nhất và loại bỏ khung có chất lượng kém hơn. Khung tốt nhất được chọn Bộ mã hoá tiếng/chọn lựa BTS a BTS b .d(t-Pa).c(t-Pa) .d(t-Pa).c(t-Pa) Ký hiệu: -d(t):Số liệu của người sử dụng -c(t):Mã của người sử dụng -Pa,Pb:Trễ truyền lan -BTSa,BTSb:Trạm gốc a và trạm gốc b Trạm di động d(t).c(t) Khung b Khung a Chuyển mạch Hình 4.5 Xử lý KLL đường lên khi chuyển giao giữa các cell +Xử lý kênh lưu lượng đường lên( chuyển giao giữa các đoạn ô): Trong quá trình chuyển giao giữa các đoạn ô trạm di động phát cùng một thông tin đến cả hai đoạn ô( hình 4.5 ). Phiến kênh ở trạm di động của ô sẽ nhận được tín hiệu của cả hai đoạn ô. Phiến này sẽ kết hợp hai đầu vào và gửi tín hiệu tổng sau khi kết hợp đến bộ mã hoá tiếng/chọn lựa. Như vậy sau đó sẽ chỉ có một khung tiếng được xử lý. Bộ mã hoá tiếng/chọn lựa Chuyển mạch Phần tử kênh kết hợp và giải mã .d(t-Pa)c(t-Pa) .d(t-Pb)c(t-Pb) Trạm di động d(t)c(t) Các đầu vào Phản xạ Ký hiệu: -d(t):số liệu của người sử dụng -c(t):Mã của người sử dụng -Pa,Pb:Trễ truyền lan Hình 4.6 Xử lý đường lên khi chuyển giao giữa các đoạn ô 4.3 Hiệu ứng gần xa và điều khiển công suất 4.3.1 Hiệu ứng gần xa: Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, khi hai người xử dụng có khoảng cách khác nhau tới trạm BS đang truyền thông thì công suất thu được của hai người này tại trạm gốc sẽ khác nhau do suy hao đường truyền là khác nhau. Với hệ thống FDMA và TDMA thì sự khác biệt về công suất này không ảnh hưởng gì đến việc giải điều chế tín hiệu ở trạm gốc trong môi trường đa kênh, vì chúng là một khe thời gian. Còn với hệ thống CDMA, do các máy di động phát chung tần số ở cùng thời gian nên sẽ gây nhiễu đồng kênh với nau. Do vậy, nếu một tín hiệu thu được có mức công suất lớn hơn các tín hiệu khác, nó sẽ là nguồn nhiễu lớn với các tín hiệu yếu, khiến BS ít nhậy cảm với các tín hiệu yếu hơn. Chẳng hạn nếu công suất thu được của một người sử dụng nào đó ở trạm BS lớn hơn 10 lần công suất của những người sử dụng khác thì nhiễu giao thoa đồng kênh do người sử dụng này gây ra cũng lớn gấp 10 lần của những người sử dụng khác. Rõ ràng, nếu hệ thống cho phép truyền 11 kênh đồng thời thì để đảm bảo thu thành công, chỉ có thể truyền 1 kênh có công suất nhỏ và một kênh có công suất lớn(gấp 10 lần công suất nhỏ). Và như vậy, dung lượng của hệ thống đã giảm 1 lượng bằng 9. Do đó, vấn đề điều khiển công suất thu được đặt ra một cách bắt buộc với hệ thống CDMA để đảm bảo công suất thu được ở các trạm gốc là bằng nhau với những người sử dụng ở khoảng cách khác nhau. Đồng thời, điều khiển công suất cũng phải nhanh nếu không dung lượng hệ thống sẽ giảm. 4.3.2 Các phương pháp điều khiển công suất: Có 3 phương pháp để điều khiển công suất ở hệ thống thông tin CDMA: + Điều khiển công suất vòng hở trong đó chỉ có trạm di động tham gia; + Điều khiển công suất vòng kín trong đó có cả trạm di động và trạm gốc thạm gia; + Điều khiển công suất đường xuống; *Điều khiển công suất vòng hở: Thực hiện tại MS theo nguyên tắc đo tự điều khuếch AGC. Trước khi phát, trạm di động sẽ giám sát tổng công suất mà nó thu được từ trạm gốc và so sánh với công suất phát danh định ghi trong bản tin kênh nhắn tin. Kết quả so sánh sẽ cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng. Trạm di động sẽ điều chỉnh công suất phát của mình tỉ lệ nghịch với công suất mà nó thu được(tức thu lớn phát nhỏ và thu nhỏ phất lớn). Tuy vậy, nhược điểm của phương pháp này độ chính xác không cao. Giữa đường truyền xuống và đường truyền lên có sự khác biệt ở các băng tần khác nhau, vì thế, dùng tổn hao đường xuống để đánh giá tổn hao đường lên là không chính xác. Điều chỉnh công suất vòng hở không đạt được hiệu quả cao. Vì thế, nó còn được gọi là điều chỉnh thô Điều khiển công suất vòng kín: Có thể đạt được điều khiển công suất trung bình dài hạn hiệu quả hơn bằng phương pháp điều khiển công suất vòng kín (CPC). Phương pháp này đòi hỏi BS phải thường xuyên liên hệ với trạm di động khiến MS thay đổi công suất một chách thích ứng. Trạm gốc sẽ đánh giá công suất tín hiệu của MS ở đường lên và so sánh nó với công suất ngưỡng danh định. Trên cơ sở mức thu cao hay thấp hơn mức ngưỡng, trạm gốc phát lệnh 1 bit đến trạm di động để hạ thấp hoặc nâng cao công suất phát của trạm di động lên một nấc cố định biểu thị bằng db. Hai phương pháp điều khiển công suất trên đây được dùng cho đường lên. Trong một hệ thống thực tế, thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp này. Điều khiển công suất đường xuống. Đối với đường xuống không cần điều khiển công suất ở hệ thống đơn ô, vì nhiễu gây ra do tín hiệu của những người sử dụng khác luôn ở mức không đổi với tín hiệu hữu ích. Tất cả tín hiệu đều được phát chung từ trạm gốc. Vì thế, sẽ khôngcó sự khác biệt về tổn hao truyền sóng tại máy thu như đường lên. Tuy vậy, ở hệ thống CDMA nhiều ô, sử dụng chung tần số, máy di động sẽ thu nhiễu từ các trạm gốc của các ô khác. ở các hệ thống này, việc điều khiển công suất đường xuống là cần thiết để hạn chế mức nhiễu trạm gốc gây ra cho các kênh lân cận khi phát tín hiệu. Tồn tại 2 sư đồ điều khiển đường xuống. + Theo khoảng cách : Khi biết được vị trí của trạm di động, có thể giảm thiểu tổng công suất phát của mỗi trạm di động bằng cách chỉ định phát đi công suất cao hơn cho trạm di động ở biên giới của ô và phát đi công suất thấp hơn cho trạm di động ở gần trạm gốc. + Theo tỉ số C/i: Nghĩa là giảm thiểu tỉ số C/i theo nhu cầu của từng người sử dụng. Muốn vậy, mỗi trạm di động phải phát thông tin về C/i của nó đến trạm gốc. Nhờ thế, trạm gốc có thể quyết định nên tăng hay giảm công suất của người sử dụng được xét.d Mạch đ/k Vòng hở Mạch đ/k Vòng kín Đ/k CS đườngxuống Đ/K công suất Xử lý tín hiệu Số liệu phát KĐ Giải điều chế số Giải mã Tách bit Đ/K CS ghép bit Đ/K CS Tách bản tin báo cáo tỉ lệ lỗi Xác định mức CS Giải mã Giải điều chế số Khuyếch đại Xử lý tín hiệu Xử lý của BS Xử lý của MS Hình vẽ 4.7 Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 4.3.3 Thực hiện điều khiển công suất ở hệ thống CDMA IS 95: Hệ thống CDMA IS 95 sử dụng có 3 kiểu điều khiển công suất : vòng hở, vòng kín và điều khiển công suất đường xuống. Đánh giá vòng hở: Bản tin thông số thâm nhập: Sau khi trạm đi động đã bật nguồn, nó chiếm hệ thống bằng cách thu và sử dụng kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ và kênh tìn gọi. Kênh tìm gọi cung cấp bản tin thông số thâm nhập trong đó định nghiã các thông số mà trạm di động sử dụng khi phát kênh thâm nhập đến trạm gốc. Các thông số quan trọng trên kênh thâm nhập gồm: + Số kênh thâm nhập. + Độ dịch công suất danh định(NOM_PWR). + Độ dịch công suất ban đầu (INT_PWR). + Kích cỡ nấc tăng công suất. + Số thăm dò trên một chuỗi thăm dò thâm nhập. + Cửa sổ thời gian thăm dó giữa hai lần thâm nhập. + Khoảng thời gian ngẫu nhiên hoá giữa hai thăm dò thâm nhập. + Khoảng thời gian ngẫu nhiên hoá giữa hai chuỗi thăm dò. Trạng thái thâm nhập : Trong khi trạng thái thâm nhập trạm di động vẫn chưa được ấn định kênh lưu lượng nên chưa thực hiện điều khiển vòng kín. Khi này tự trạm di động phải khởi xướng một điều chỉnh công suất bất kì cho phù hợp với hoạt động của mình(ở gia đoạn này MS sẽ thự hiện công suất vòng hở ). Tuy nhiên, từ các thông tin nhận được trên kênh hoa tiêu, đồng bộ, tìm gọi, bây giờ trạm di động có thể thử thâm nhập hệ thống qua một số vài kênh thâm nhập hiện có. Các quy tắc của thủ tục thâm nhập: Trạm di động thâm nhập vào hệ thống và thử phát một công suất rất nhỏ đến trạm gốc. Quy tắc chính ở đây là trạm di động phải phát công suất tỉ lệ nghịch với công suất mà nó thu được. a./ Khi thu được một tín hiệu hoa tiêu mạnh ở trạm gốc,trạm di động phát đi một tín hiệu yếu, vì một tín hiệu thu mạnh ở trạm di động có nghĩa suy hao đường truyền xuống thấp. Nếu coi như suy hao đường truyền lên cũng vậy thì cần phải phát đi một công suất thấp. b./ Cũng nhờ lập luận như vậy, khi thu được tín hiệu hoa yếu từ trạm gốc có nghĩa suy hao đường truyền lên lớn lúc này trạm di động cần phát đi công suất cao để bù trừ tổn hao đường truyền. Trạm di động sẽ phát thăm dò đầu tiên ở công suất trung bình được xác định theo công thức sau: Tx = -Rx – 73 + NOM_PWR + INT_PWR, dBm trong đó ,Tx: công suất phát trrung bình tính theo dBm Rx : Công suất thu trung bình(dBm), NOM_PWR : điều chỉnh danh định(trong dải –8 đến +7 dB) INT_PWR : điều chỉnh công suất ban đầu (từ –16 đến +15 dB) Các bước thăm dò công suất : Nếu trạm gốc công nhận hay không trả lời thử thâm nhập thì sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên trạm di động sẽ phát lại với công suất cao hơn. Sau đó, nếu vẫn chưa được trả lời, nó thử lại với công suất cao hơn nữa. Qúa trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt được trả lời từ trạm gốc. Mỗi bước tăng công suất Pi được gọi là một hiệu chỉnh công suất vòng hở. Công suất phát thực tế của trạm di động được xác định như sau: Tx = -Rx – 73 +NOM_PWR + INT_PWR + Tổng công suất của các lần hiệu chỉnh thăm dò thâm nhập Điều khiển công suất vòng kín: Sau khi đã khởi động các kênh lưu lượng, mỗi khi thu được bit điều khiển công suất trong kênh phụ điều khiển công suất (ghép chung với KLL) bằng ‘1’ trạm di động sẽ giảm công suất phát đi một bước định trước (1dB). Ngược lại, nếu thu được bit điều khiển công suất bằng ‘0’ trạm di động sẽ tăng công suất phát lên (1dB). Các lần hiệu chỉnh công suất này được gọi là hiêu chỉnh công suất vòng kín, vì quyết định tăng hay giảm công suất được thực hiện trên cơ sở đánh giá công suất thu được ở trạm gốc. Công suất phát trung bình ở kênh lưu lượng đường lên được xác định như sau: Tx = -Rc – 73 +NOM_PWR + INT_PWR +Tổng tất cả các hiệu chỉnh công suất thăm dò thâm nhập + Tổng tất cả các hiệu chỉnh điều khiển công suất vòng kín. Đánh giá công suất thu được thực hiện trên cơ sở đánh giá cường độ tín hiệu thu trong khoảng 1.25ms (nhóm điều khiển công suất )ở máy thu đường lên của trạm gốc. Điều khiển công suất đường xuồng: Hệ thống CDMA IS – 95 có thể điều khiển công suất đường xuống dựa trên báo cáo về tỉ lệ lỗi từ trạm di động. Để thực hiện điều khiển công suất đường xuống, trạm gốc định kỳ giảm công suất phát đến trạm di động. Việc giảm công suất này tiếp diễn đến khi trạm di động yêu cầu tăng công suất do nhận thấy tăng tỉ số lỗi khung vượt qua ngưỡng cho phép. Khi đó, trạm gốc sẽ tăng công suất lên một bước định trước. Tăng/giảm cong suất được thực hiện một lần ở một khung tiếng. Kết luận chung Việc ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin viễn thông nói chung và trong thông tin di động nói riêng là một xu thế tất yếu vì những ưu điểm nổi bật của nó như: tính chống nhiễu cao, khả năng bảo mật tốt, chuyển giao mềm dẻo khả năng đáp ứng các dịch vụ băng rộng...Chính vì vậy, nhiều nước trên thế giới như Hoa Kỳ, Hàn Quốc...Đã sớm nghiên cứu và đưa vào thử nghiệm các hệ thống CDMA như: IS-95(tiêu chuẩn Hoa kỳ )và đã thu được những thành tựu hết sức khử quan. Tính đến đầu năm 1998, hệ thống CDMA có khoảng 1 triệuthuê bao trên khắp thế giới, chủ yếu là Châu á. Nhưng hệ thống thông tin di động CDMA vẫn chưa thực sự phát triển vì nhiều lý do, các hệ thống CDMA không tương thích với TDMA là một điều hết sức khó khăn cho quá trình đầu tư ban đầu, không tận dụng được hệ thống hiện có. ở nước ta, mạng thông tin di động mới được lắp đặt và đưa vào khai thác trong vài năm gần đây. Hiện tại, ở Việt Nam tồn tại song song hai mạng di động là:Mobifone đưa vào khai thác từ 1993 là đơn vị liên doanh giữa VMS với Comvik- Thuỵ Điển và mạng Vinafone đưa vào hoạt động năm 1996 là đơn vị trực thuộc TCT BCVT Việt Nam. Hai hệ thống này đều hoạt động theo tiêu chuẩn GSM của Châu Âu. Tính đến tháng 5 –2000, nước ta mới chỉ có khoảng 500 ngàn thuê bao điện thoại di động. Thực tế, nhu cầu sử dụng mạng thông tin di động ở nước ta chưa cao do khó khăn về kinh tế, thu nhập của người dân còn thấp. Cho nên việc đầu tư xây dựng lớn, sự cạnh tranh với các hệ thống hiện có… Hơn nữa,xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động trên thế giới là tiến tới hệ thống di động thế hệ thứ 3(sử dụng công nghệ CDMA băng rộng)nhằm đáp ứng nhu cầu nhiều mặt của khách hàng và xây dựng 1 mạng viễn thông đa dịch vụ. Hiện nay, có hai tiêu chuẩn cho hệ thống di động thế hệ thứ 3 là hệ thống viễn thông đa năng UMTS của Châu Âu và hệ thống viễn thông quốc tế IMT – 2000 của ITU. Các hệ thống này sử dụng điều chế số với tốc độ đạt tới 2Mbps trên băng tần 2Ghz. Mặt khác, từ hệ thống GSM hiện tại cũng có thể tiến lên hệ thống di động thế hệ thứ 3 UTMS. Ưu điểm của xu hướng này là tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có, thống nhất được tiêu chuẩn, có vùng phủ sóng rộng ngay từ khi bắt đầu tiển khai. Vì vậy, ta nên chờ 1 thời gian khi mạng viễn thông băng rộng sử dụng công nghệ CDMA đưa vào khai thác ổn định thì mới triển khai hệ thống mới. Trong thời gian tới có thể tiến hành nâng cấp các hệ thống hiện có như từ hệ thống GSM pha 2 lên pha 2+(GPRS) và có chiến lược đầu tư cho việc chuẩn bị phát triển các hệ thống mới như: cơ sở vật chất, chiến lược đầu tư con người, kế hoạch cho tương lai. Phụ lục các thuật ngữ ACN AMPS AUC BASE_ID BSC BSS BTS CEPT CRC CT-2 DECT DOC DS-SS EIR ESN FCC FDD FH-SS GSM HLR IMT-2000 ISDN ITU JTACS LSB ME MLSR MS MSB MSC NMT NTACS OSS PACS PCD PCN PCS PILOT_ID PN PSTN SIM SSMA TACS TDD TIA UMTS UTRA W-CDMA WOTS Access Channel Number Advanced Mobile Phone Sevice Authentification Base Identification Base Station Controler Base Station Subsystem Base Tranceiver Station European Conference of Post and Communication Cyclic Redundancy Check Cordless Telephone 2nd generation Digital Enhance or European cordless Telephone Deparment of communication Directed sequence-spread spectrum Equipment Identification register Electronic Serial Number Federal Communication Commission Frequence Division Duplex Frequency Hopping-Spread spectrum Group special mobile or Global system for Mobile communication Home Location Register International Mobile telecommunication Intergrated services Digital Network International Telecommunication union Japan TACS Least Significal Bit Mobile Equipment Maximum Length Swicht Register Mobile station Most significal Bit Mobile service Switching Center Nordic Mobile Telephone Narrow TACS Operation and Support Subsytem Personnal Access Commnication System Pacific Digital Cellular Page channel number Personnal Communication System(or Service) Pilot identification Pseudo Noise Public Swtching Telephone Network Subcriber Identification Modul Spread Spectrum Multi Access Total Acess Communication System Time Division Duplex Telecommunication Industries Association Universal Mobile Telephone System UMTS Terrestrial Radio Access Wideband CDMA Wireless Office Telephone System Chỉ số kênh thâm nhập Hệ thống di động tiên tiến Trung tâm nhận thực Nhận dạng trạm gốc Điều khiển trạm gốc Phân hệ trạm gốc Trạm thu phát gốc Hiệp hội bưu chính viễn thông Châu âu Mã kiểm tra dư vòng Thoại léo dài thế hệ 2 Hệ thống thoại kéo dài số của Châu âu Bộviễn thông của Canada Trải phổ chuỗi trực tiếp Bộ nhận dạng thiết bị di động Số seri điện tử Hiệp hội thông tin liên bang Hoa kỳ Song công phân chia tần số Trải phổ nhảy tần Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Bộ đăng ký định vị thường trú Hệ thống viẽn thông quốc tế Mạng số đa dịch vụ Hiệp hội viễn thông quốc tế Hệ thống TACS của Nhật Bit ít ý nghĩa nhất Thiết bị di động Bộ nghi dịch có độ dài cực đại trạm di động Bit nhiều ý nghĩa nhất Trung tâm điều khiển chuyển mạch Hệ thống di động Bắc âu TACS băng hẹp Phân hệ điều hành bảo dưỡng Hệ thống thông tin thâm nhập cá nhân Thoại số Nhật Bản Số kênh thâm nhập Hệ thống(hay dịch vụ ) thông tin cá nhân Nhận dạng KHT Chuỗi giả tạp âm Mạng chuyển mạch công cộng Modul nhận dạng thuê bao Đa thâm nhập trải phổ Hệ thống truyền thông thâm nhập toàn diện Song công phân chia thời gian Hiệp hội công nghiệp viễn thông Hệ thống thoại di động toàn cầu Giao diện thâm nhập vô tuyến mặt đất của UMTS CDMA băng rộng Hệ thống thoại cơ quan ._.