Đề tài Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của thông tin trải phổ

LỜI NĨI ĐẦU Lý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệ thống thơng tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động của việc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm. Điều này cĩ thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cần thiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm. Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thơng tin di động tế bào. Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệ thống FDMA và TDMA. Khi áp dụng cơng nghệ CDMA cho hệ thống thơng tin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềm dẻo về dung lượng, nĩ cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong mơi trường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong mơi trường nhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa. Ngồi ra, nĩ cịn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và khả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” đảm bảo khơng xảy ra gián đoạn thơng tin trong quá trình chuyển giao. Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nước trên thế giới cũng như trong khu vực. Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ và hệ thống thơng tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thử nghiệm. Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của thơng tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thơng tin di động tế bào CDMA. Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trình bày những khái quát chung nhất về thơng tin trải phổ là các khái niệm và đặc tính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp. Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thơng tin di động CDMA trong đĩ đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thơng tin di động CDMA, TDMA và FDMA. Đồng thời đi khảo sát một số vấn đề trong CDMA là giải điều chế, vấn đề dung lượng của hệ thống, các hiệu ứng pha đinh và dịch tần Doppler và thu phân tập trên máy thu RAKE. Chương III đi xem xét dung lượng của hệ thống CDMA đa tế bào, được tính tốn trên cơ sở bảo đảm được điều khiển cơng suất để chống lại hiệu ứng xa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từ đĩ đưa ra lưu đồ thuật tốn tính tốn dung lượng của hệ thống. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quyết và các thầy cơ giáo trong Khoa Vơ Tuyến Điện Tử đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hồn thành nội dung của đồ án. Do trình độ và thời gian cĩ hạn nên trong quá trình thực hiện cịn cĩ nhiều sai sĩt. Kính mong được sự đĩng gĩp ý kiến của các thầy giáo và bạn bè xa gần cĩ quan tâm đến lĩnh vực thơng tin trải phổ và kĩ thuật CDMA. Hà nội 9- 06- 2003 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN TRẢI PHỔ 1.1 Khái niệm về hệ thống trải phổ Thơng tin trải phổ là một hệ thống thơng tin để truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thơng tin cĩ sử dụng mã với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thơng tin. Trong đĩ các mã sử dụng độc lập với số liệu thơng tin. Ở phía thu, thực hiện việc nén phổ tín hiệu thu được khi dùng phép tương quan nĩ với bản sao của tín hiệu trải phổ tạo ra ở bên thu đồng bộ với bên phát. Mơ hình tổng quan nhất về các hệ thống trải phổ được thể hiện như hình vẽ x(.) x-1(.)=x(.) sn sw n(t) j(t) sn Máy phát Máy thu Nhiễu tạp Kênh Hình 1.1 Hệ thống thơng tin trải phổ Từ mơ hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơ cấp tạo thành tín hiệu băng hẹp sn sau đĩ phổ của nĩ được trải ra trên một băng tần rộng nhờ phép tốn x(.), tín hiệu này được kí hiệu là sw và được phát qua kênh truyền dẫn. Những kênh này cĩ thể gây ra các suy giảm chất lượng do nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền. Tại phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đĩ nén phổ bằng phép tốn x-1(.)=x(.). Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng sw được biến đổi trở lại thành tín hiệu băng hẹp sn. Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số ban đầu. Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi D/A. 1.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ 1.2.1 Khả năng chống nhiễu Ở các hệ thống thơng tin thơng thường truyền tín hiệu băng hẹp khi nhiễu băng hẹp cùng tần số với tín hiệu và cĩ cường độ lớn thì cĩ thể gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng truyền tin thậm chí phía thu khơng thể khơi phục lại được tín hiệu. Đối với hệ thống thơng tin trải phổ ngay cả trong trường hợp cĩ nhiễu mạnh tác động vẫn cĩ thể thu tín hiệu một cách tin cậy. Nĩi một cách khác, hệ thống thơng tin trải phổ cĩ thể loại trừ được nhiễu băng hẹp. Giả thiết rằng, ở phía thu tín hiệu thu được gồm sw và nhiễu mạnh in(t), quá trình nén phổ được thực hiện : x-1(sw +in(t)) =x-1(x(sn)) + x-1 (in(t)) = sn +iw Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vào thành tổng của tín hiệu băng hẹp cĩ ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng. Sau khi qua bộ lọc băng hẹp cĩ dải thơng là Bn bằng độ rộng phổ tín hiệu sn thì chỉ cĩ một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là iwr do băng tần Bw của nhiễu iw lớn hơn Bn rất nhiều f in sw fi Bw Hình 1.1 Phổ của tín hiệu thu khi cĩ nhiễu băng hẹp tác động f sn in iw Bn Bw hi Hình 1.2 Tín hiệu được nén về phổ gốc, nhiễu bị trải phổ sn iwr Bn f Hình 1.3 Phổ của tín hiệu và nhiễu sau khi qua lọc băng hẹp Ta thấy rằng, cơng suất nhiễu đi qua bộ lọc P(iwr) = hi.Bn so với cơng suất tồn bộ nhiễu là : P(iwr)=P(iw)=.P(iw) (1.1) với G = cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nĩ được gọi là hệ số khuyếch đại xử lí. Trong trường hợp cơng suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trước khi thực hiện giải trải phổ tín hiệu. Cĩ thể sử dụng một số thuật tốn thích hợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà khơng gây ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu. Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu cĩ ích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận được khi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu. 1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sĩng nhiều tia Trong mơi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền thẳng và các thành phần phản xạ từ mơi trường truyền do các cơng trình nhân tạo hoặc địa hình tự nhiên. Nĩi chung các thành phần tín hiệu này sẽ tương tác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống. Giả sử rằng chỉ cĩ một tia khơng đi thẳng, ta cĩ thể sử dụng mơ hình cĩ phương trình : r(t) = A.b(t)c(t).cos(2fct ) + A’b’(t - t).c’(t - t).cos[2fc(t - t) + ’] (1.2) với t’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm. Do đĩ, nhiễu do thành phần khơng đi thẳng là s0’= cos (’) =± (1.3) s0’= 0 khi >Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường khơng đi thẳng. Ta cĩ thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng và các bản sao bị trễ của nĩ đều là tín hiệu băng rộng. Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đĩ tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ cịn tín hiệu trễ thì bị trải phổ. Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu khơng truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu. Như vậy tín hiệu khơng truyền thẳng chỉ làm giảm SNR một ít. 1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thống thơng tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sử dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thơng tin cá nhân PCN, các mạng vùng nội hạt vơ tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thơng tin di động tế bào. Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách cĩ hiệu quả trong đĩ nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn. Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ. Ở các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho khơng cĩ cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian. Giả sử rằng, cĩ n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi này tín hiệu mà mỗi máy thu thu được cĩ thể biểu diễn: si== (1.5) Trong đĩ chỉ số i tương ứng với người sử dụng thứ i trong băng tần chung và kí hiệu () là phép trải phổ đối với tín hiệu của người thứ i. -1(swj) =-1((snj )) = snj với i º j swij với i ¹ j Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện : (1.6) Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i º j và tín hiệu phổ rộng khi i ¹ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khơi phục cùng với thành phần nhiễu mức thấp Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN cĩ thuộc tính tương quan chéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tín hiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm. 1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sử dụng cực đại nên hiệu suất của tồn hệ thống thấp. Ngược lại, với hệ thống CDMA dung lượng của nĩ chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụng cực đại khơng được giới hạn rõ ràng. Khi số người sử dụng tăng lên thì xác suất lỗi bít càng tăng, tức cĩ thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hồn thành. Giả sử cĩ K tín hiệu cĩ cùng cơng suất Pk tồn tại trên một băng tần, bỏ qua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bị nén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là : (1.7) Khi xét đến tạp âm nhiệt cĩ cơng suất là thì : (1.8) Dung lượng của hệ thống được tính là : (1.9) với yb là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống. Như vậy, dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu. 1.3 Các hệ thống thơng tin trải phổ Đặc điểm cơ bản của hệ thống thơng tin trải phổ là phổ của tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi. Một hệ thống được coi là hệ thống thơng tin trải phổ nếu nĩ thoả mãn hai yêu cầu sau: Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu Bi cần thiết để truyền thơng tin. Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với số liệu. Với các tín hiệu cĩ độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồn tại là T thì phân lượng phổ của nĩ là 2WT. Để tăng phân lượng phổ của nĩ cĩ thể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thời gian T Khi tăng độ rộng băng tần W cĩ nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trước khi phát đi, cĩ nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản cĩ hai phương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần (FH/SS). Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sĩng mang trên một tập lớn các tần số. Khi tăng khoảng thời gian, cĩ nghĩa là một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khung chứa số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Do vậy, cĩ thể nĩi các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổ nhảy thời gian (TH/SS). Ngồi ra, người ta cĩ thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trải phổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nên thường ứng dụng trong các hệ thống thơng tin quân sự. 1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS Tín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Tín hiệu ngẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay cịn gọi là chuỗi giả tạp âm PN. Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t) được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi. Tại máy thu, quá trình khơi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thơng để tách ra tín hiệu mong muốn. Mơ hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp được cho trên hình 1.4. Bộ tạo mã trải phổ c(t) Dữ liệu x(t) s(t) s(t)+n(t) Bộ lọc Dữ liệu Bộ tạo mã trải phổ c(t) Tín hiệu khơng mong muốn Tín hiệu trải phổ Hình 1.4 Mơ hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ cơng suất của tín hiệu thu tăng lên, do đĩ tỉ số S/N cũng tăng. Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệu nhiễu đầu vào làm cho mật độ cơng suất của nhiễu giảm xuống. Như vậy, trải phổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ. Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giả ngẫu nhiên PN. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN cĩ dạng : (1.10) 1 - với £ Tc 0 nếu khác Trong đĩ PT(t) là xung chữ nhật đơn vị, ck gọi là chíp và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chíp. Để đơn giản ta mơ hình hố tín hiệu PN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tự tương quan tuần hồn của nĩ với chu kì đầu là: (1.11) Trong phần này chủ yếu ta sử dụng hàm tam giác ở phương trình trên là hàm tự tương quan của tín hiệu PN tham gia trải phổ tín hiệu DS/SS. Ta đi xét phương thức trải phổ trực tiếp cho một số dạng tín hiệu điều chế khác nhau. 1.3.1.1 Trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS _BPSK) Một dạng đơn giản của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp là dữ liệu pha nhị phân liên kết (BPSK) được nhân trực tiếp với dẫy mã trải phổ PN.Sơ đồ khối máy phát DS/SS sử dụng BPSK mơ tả ở hình 1.5 Tín hiệu PN cơ số hai c(t) Bản tin cơ số hai b(t) Bộ điều chế (BPSK) Sĩng mang A cos(2fct +) Tín hiệu DS/SS_BPSK s(t)= A.b(t).c(t).cos(2fct + ) b(t) -1 1 0 T 2T 3T t 1 0 Tc . . . NTc . . . 2NTc . . . b(t).c(t) -1 t b(t) -1 1 0 Tc . . . NTc . . . 2NTc . . . t Một chu kì (giả thiết T=N.Tc) s(t) -A A Tc . . . NTc . . . 2NTc . . . t (giả thiết sĩng mang cĩ và fc=1/Tc) Hình 1.5 Sơ đồ khối của máy phát DS/SS_BPSK Số liệu vào nhận các giá trị ±1 được biểu diễn bằng biểu thức sau : b(t)= (1.12) trong đĩ = ±1 : bít số liệu thứ k và T là độ rộng một bít số liệu. Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng các tín hiệu PN {c(t)}bằng cách nhân hai tín hiệu này với nhau. Tín hiệu nhận được b(t).c(t) sẽ điều chế cho sĩng mang sử dụng BPSK, tín hiệu DS/SS_BPSK nhận được là : s(t) = A.b(t).c(t).cos(2fct + ) (1.13) dải thơng của s(t) được xác định bởi c(t) và lớn hơn rất nhiều so với của tín hiệu b(t) vì 1/Tc >> 1/T ( T=N.Tc). Ở phía thu tín hiệu thu được bao gồm tín hiệu tín hiệu phát đi cộng với tạp âm. Do tồn tại trễ truyền lan t nên tín hiệu thu được cĩ dạng : s(t-t)+n(t) = A.b(t -t).c(t - t). cos[2fc(t - t) + ] +n(t) (1.14) với n(t) là tạp âm của kênh và đầu vào máy thu. Sơ đồ máy thu được chỉ ra trên hình 1.6. Bộ tạo tín hiệu PN nội Bộ giải điều chế (BPSK) s(t)= A.b(t-t).c(t-t). cos(2fct + ) c(t-t) w(t) cos(2fct + ) Hình 1.6 Sơ đồ máy thu DS/SS _BPSK Quá trình khơi phục lại bản tin ta giả thiết khơng cĩ tạp âm, tín hiệu thu được giải trải phổ để giảm băng tần rộng vào băng tần hẹp. Sau đĩ nĩ được giải điều chế để nhận được tín hiệu băng gốc. Thực hiện giải trải phổ tín hiệu bằng cách nhân tín hiệu thu với c(t - t) được tạo ra ở máy thu, ta được : w(t) = A.b(t - t).c2(t - t). cos(2fct + ’ ) = A b(t - t). cos(2fct + ’ ) (1.15) vì c(t)= ±1, ’ = - 2fc t. Tín hiệu nhận được là tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần là 2/T, sau đĩ tín hiệu này được đưa qua bộ giải điều chế BPSK để lấy ra tín hiệu băng gốc. 1.3.1.2 Trải phổ trực tiếp tín hiệu khố chuyển pha vuơng gĩc (QPSK) Ngồi việc sử dụng BPSK cho quá trình điều chế người ta cịn dùng các kiểu điều chế khác như dùng khố chuyển pha vuơng gĩc QPSK, khố chuyển cực tiểu MSK . Với hệ thống DS/SS khi sử dụng kiểu điều chế QPSK với cùng một đầu vào số liệu hoặc hai đầu vào độc lập điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh, tín hiệu DS/SS_QPSK cĩ dạng : s(t)= s1(t) + s2(t) = -A.b(t),c1(t).sin(2fct + ) + A.b(t)c2(t).cos(2fct + ) = .Acos(2fct + + ) (1.16) với =tan-1 nhận các giá trị , , , tuỳ thuộc vào tích c1(t).b(t) và c2(t).b(t) bằng ±1. Do đĩ tín hiệu s(t) cũng cĩ 4 trạng thái pha khác nhau: + , +, +, +. Khi thực hiện giải trải phổ các thành phần đồng pha và vuơng pha được giải trải phổ độc lập với nhau bởi c1(t) và c2(t) trong đĩ tín hiệu PN c1(t) và c2(t) cĩ thể là hai tín hiệu độc lập hoặc được lấy từ cùng một tín hiệu PN. * Ưu điểm của các hệ thống DS/SS_QPSK so với DS/SS_BPSK thể hiện là độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR : Cùng một tín hiệu phát đi hệ thống DS/SS_QPSK chỉ sử dụng một nửa băng tần so với DS/SS_BPSK với cùng PG và SNR, SNR0. Cùng một tín hiệu phát đi với cùng độ rộng băng tần và PG thì DS/SS_QPSK ưu việt hơn DS/SS_BPSK về SNR dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn. Ưu điểm của DS/SS_QPSK đạt được so với BPSK là nhờ tính trực giao của các sĩng mang sin và cos ở các nhánh đồng pha và vuơng gĩc. Tuy vậy hệ thống DS/SS_QPSK khá phức tạp và địi hỏi đồng bộ cao ở phần thu nếu khơng sẽ xảy ra xuyên âm giữ hai nhánh làm giảm chất lượng của hệ thống. Trong thực tế ở một số hệ thống như IS –95 nhằm tăng tối đa dung lượng của hệ thống trước khi tín hiệu đưa vào thực hiện trải phổ nĩ được mã hố bằng mã xoắn, điều chế trực giao bằng hàm Walsh để tăng khả năng chống nhiễu và sử dụng tín hiệu PN cĩ hai thành phần: Mã dài cl(t) dùng để phân biệt các tế bào là tăng tính ngẫu nhiên . Mã ngắn cs(t) dùng tăng khả năng đồng bộ. 1.3.1.3 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS * Ảnh hưởng của tạp âm trắng cộng(AWGN) Ta đi xem xét hiệu năng của hệ thống DS/SS trong mơi trường tạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia. Một cách tổng quát ta coi tín hiệu thu được bao gồm các thành phần : r(t) = A.b(t)c(t).cos(2fct ) + A’b’(t - t).c’(t - t).cos[2fc(t - t) + ’] +n(t)+j(t) (1.17) Để đánh giá được tỉ số cơng suất trên cơng suất tạp âm (SNR0) ta giả thiết rằng trễ truyền lan t bằng khơng, khơng cĩ nhiễu phá j(t) và nhiễu giao thoa, tạp âm là tạp âm Gause (AWGN) cĩ PSD bằng N0/2, tạp âm của kênh là n0, s0 là tín hiệu mong muốn. s0 cho mỗi bít số liệu là : s0=± (1.18) Do giả thiết tạp âm là tạp âm Gause nên n0 là một biến ngẫu nhiên cĩ trung bình khơng và phương sai là : E[n02]= (1.19) SNR0 được tính là : SNR0==(AT/2)2/ (N0T/4) =A2T/N0 (1.20) Ta thấy rằng SNR0 độc lập với tốc độ chíp, như vậy trải phổ khơng cĩ ưu điểm về AWGN trong kênh. cịn tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính : SNR=Eb/N0 = =(1/2)SNR0 (1.21) * Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia Khi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và truyền đa tia ta coi tín hiệu thu bao gồm thành phần tín hiệu mong muốn và thành phần nhiễu giao thoa từ các DS khác : r(t) = A.b(t)c(t).cos(2fct ) + A’b’(t - t).c’(t - t).cos[2fc(t - t) + ’] + +n(t) (1.22) Ta giả thiết b(t), b’ (t), c’ (t) là ±1 và b(t) độc lập với b’(t). Tín hiệu nhận được giải trải phổ bằng cách nhân với c(t) cos(2fct ) và lấy tích phân, ta cĩ : s0 = s0’ + n0 (1.23) s0’= A’ b’(t - t’).c’(t - t’).cos(2fct + ’) cos(2fct).dt =cos(’) (1.24) Hai thành phần trong ngoặc vuơng vàlà hàm tương quan chéo từng phần được chuẩn hố của c(t) và c’(t). Tương quan chéo nhỏ gây nhiễu giao thoa cũng nhỏ, do đĩ trong mơi trường đa người sử dụng địi hỏi phải tạo được tập hợp các tín hiệu PN sao cho chúng cĩ tương quan chéo nhỏ nhất. Trong mơi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền thẳng và các thành phần phản xạ từ mơi trường. Giả sử rằng chỉ cĩ một tia khơng đi thẳng, ta cĩ thể sử dụng mơ hình ở phương trình (1.22) với t’ là trễ truyền lan, A’=kA với k là hệ số suy giảm. Do đĩ, nhiễu do thành phần khơng đi thẳng là s0’= cos (’) = ± (1.25) s0’=0 khi >Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường khơng đi thẳng. * Hiệu ứng gần- xa (Near-Far) Ngồi ra đối với hệ thống cĩ nhiều người sử dụng cịn xảy ra hiệu ứng gần xa. Ta xét hệ thống đa truy nhập DS/SS, giả thiết cĩ M người sử dụng phát tín hiệu trên cùng một kênh. Ở phía thu, tín hiệu thu được bị nhiễu do tạp âm và của M-1 người sử dụng khác. Giả sử Pk là cơng suất trung bình của từng tín hiệu, PSD của từng người sử dụng là (PkTc/2)[sinc2((f-fc)Tc)+sinc2((f+fc)Tc)] nên PSD kết hợp được xấp xỉ hố bằng (M-1)Pk.Tc /2 SNR tương đương là : SNR== (1.26) Trường hợp cĩ một trong M-1 người rất gần máy thu thì tín hiệu của người gây nhiễu sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới máy thu, giả sử Pk/ =aPk trong đĩ a tăng bình phương khi người gây nhiễu tiến đến gần máy thu SNR tương đương là : = (1.27) Khi a lớn, SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn, khi đĩ để duy trì xác suất lỗi ở mức cho phép bằng cách giảm M-2 người sử dụng. 1.3.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS) được xây dựng trên ý tưởng là chuyển đổi tần số sĩng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bởi chuỗi giả tạp âm PN. Chuỗi PN cĩ nhiệm vụ xác định mẫu nhảy tần. Tốc độ nhảy tần cĩ thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Trường hợp tốc độ nhảy tần nhanh hơn tốc độ số liệu gọi là nhảy tần nhanh và ngược lại. Với trình độ khoa học cơng nghệ ngày nay độ rộng băng tần của tín hiệu trải phổ nhảy tần cĩ thể đạt tới vài GHz. Tuy nhiên, do việc thay đổi nhanh tần số sĩng mang nên máy thu khĩ theo kịp sự thay đổi pha của sĩng mang, vì vậy điều chế FSK thường được sử dụng với phương pháp giải điều chế khơng nhất quán trong các hệ thống FH/SS. Ta kí hiệu Th là thời gian của một đoạn nhảy và T là thời gian của một bit số liệu. Sơ đồ khối cho máy phát và máy thu của các hệ thống FH/SS được mơ tả trên hình 1.7 Từ sơ đồ khối máy phát, ta thấy tín hiệu FSK cơ số hai sn(t) được tạo ra từ luồng số liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bít sn(t) cĩ một trong hai tần số f hoặc (f + Df) tương ứng với bít 0 hay bít 1 của dữ liệu vào b(t), nĩ cĩ dạng : sn(t) = cos 2p[ f0 +b(t)Df ]t (1.28) Quá trình trải phổ tín hiệu sn(t) được trộn với tín hiệu sr(t) từ bộ tổ hợp tần số, cứ Th giây tần số của sr(t) lại thay đổi theo các giá trị j bít nhận được từ bộ tạo chuỗi PN. Do đĩ ở đầu ra bộ tổng hợp tần số cĩ thể cĩ tới 2j các tần số khác nhau, tín hiệu trên đĩ tính trong đoạn nhảy l cĩ thể được viết là: sr(t) = Acos[2p(fg +il Df)t + q] (1.29) với lTh < t < (l +1)Th ;il Ỵ {0, 2, …2(2j -1) ; fg là tần số khơng đổi Tín hiệu trên đầu ra bộ lọc BPF trong bước nhảy l được tính : sw(t) = Acos[2p(fg +il Df +ml.Df)t + ql] (1.30) với lTh < t < (l +1)Th Trong đĩ ml Ỵ{0, 1} là giá trị của số liệu ở lTh < t < (l +1)Th và f0 = f’ + fg. Tần số cĩ thể được phát đi là {f0, f0 +Df , … , f0 +(J-1)Df } với J=2j+1 và pha ql cĩ thể thay đổi từ bước nhảy này đến bước nhảy khác. Dữ liệu NRZ b(t) Bộđiều chế FSK BPF băng rộng Bộ tạo chuỗi PN Bộ tổng hợp tần số sr(t) sn(t) sw(t) Hình 1.7 Sơ đồ khối máy phát FH/SS Do tần số của tín hiệu FH/SS khơng thay đổi trong một đoạn nhảy tần, trong tồn bộ khoảng thời gian tín hiệu phát ở cả J tần số nên độ rộng băng tần nĩ chiếm là: BFH/SS = J. Df (Hz) (1.31) Trường hợp thời gian bit T >Th hệ thống là nhảy tần nhanh cịn khi T < Th hệ thống là nhảy tần chậm, ta tính được độ lợi xử lí bằng : Độ rộng băng tín hiệu 2(Độ rộng băng bản tin) PG = (1.32) = = (1.33) với giả thiết độ rộng băng tần số liệu bằng 1/T và phân cách tần số là 1/Th. BPF băng rộng BPF băng rộng (f, f+Df) Bộ giải điều chế FSK khơng nhất quán Bộ tổng hợp tần số Bộ tạo chuỗi PN tại chỗ J bit sw(t) +n(t) sr(t) sn(t) b(t) Hình 1.8 Sơ đồ khối máy thu FH/SS Ở phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ lọc băng thơng BPF băng rộng sau đĩ thực hiện nén phổ. Giả thiết rằng, chuỗi PN tạo ra ở phía thu đồng bộ với bên phát. Tín hiệu đưa ra đầu ra của bộ tổng hợp tần số trên đoạn nhảy l là : sr’ (t) = cos[2p(fg +il Df)t + q’] (1.34) với lTh < t < (l +1)Th Tín hiệu ở đầu vào bộ lọc khi bỏ qua tạp âm là : sw(t).sr’(t) = {cos[2p(fg+ f0+2il Df +ml.Df)t+ql+q’l]+ +cos[2p(fg- f0 +ml.Df)t + ql-q’l]} (1.35) Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế FSK chỉ cĩ thành phần tần số thấp cĩ dạng: sn’(t) = cos[2p( f’ +ml.Df)t + ql-q’l] với f0 = fg+ f’ (1.36) Trong khoảng thời gian một bít bộ giải điều chế FSK tách ra tần số mong muốn để tái tạo lại dữ liệu như ban đầu. Nếu chuỗi PN phí thu khơng đồng bộ với bên phát thì sau khi nén phổ tín hiệu nhận được là băng rộng. Khi xét đến mơi trường đa truy nhập cĩ k người sử dụng với ilk số khác nhau để tạo ra các chuỗi PN thì tín hiệu thu tại máy thu thứ j là : (1.37) bỏ qua sự phụ thuộc vào thời gian của bk và ilk để đơn giản khi đánh giá hệ thống. Ưu điểm của hệ thống FH so với DS là tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi PN khơng cần cao như ở hệ thống DS để đạt được cùng độ rộng băng tần. Ta đi xét hệ thống DS/SS-BPSK cĩ tốc độ đồng hồ bằng tốc độ chíp 1/Tc ,độ rộng băng tần là 2/Tc (Hz). Ở hệ thống FH nhanh bộ tạo chuỗi cĩ khả năng tạo ra j bit trong Th giây hay j/Th bit.giây thì tốc độ đồng hồ là j/Th (Hz). Độ rộng băng tần của hệ thống là : (1.38) Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS 1/T 2j Tốc độ đồng hồ ở hệ thống DS j/Th j Nên : (1.39) sẽ lớn hơn 1 với giá trị j thực tế. 1.3.3 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép 1.3.3.1 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian Trong hệ thống trải phổ nhảy thời gian, số liệu được phát thành các cụm. Mỗi cụm gồm k bit số liệu và thời gian chính xác để phát mỗi cụm được xác định bởi một chuỗi PN. Giả sử thang thời gian được chia thành các khung Tc giây, mỗi khung lại được chia tiếp thành j khe thời gian vì vây mỗi khe thời gian cĩ độ rộng là Ts = Tc/j giây. Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi chuỗi PN. Mỗi bit chỉ chiếm T0 = Ts/k giây. Tín hiệu TH/SS cĩ thể được biểu diễn : sTH(t) = (1.40) trong đĩ (t) là xung chữ nhật cĩ biên độ dơn vị và độ rộng T0 giây, ai Ỵ{0, 1, … , J-1} thể hiện số khe thời gian với J=2j , là số thứ tự bít trong mỗi cụm. Tốc độ bit khi phát cụm là 1/T0, để truyền băng gốc độ rộng băng tần là 1/T0 (Hz) cịn để truyền băng thơng độ rộng băng tần là 2/T0. 1.3.3.2 So sánh các hệ thống SS Phần trên ta đã nghiên cứu về các hệ thống SS, mỗi loại hệ thống đều cĩ các ưu và nhược điểm Thứ nhất, ở các hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa bằng cách trải rộng nĩ ở phổ tần rộng, với hệ thống FH/SS thì giảm nhiễu giao thoa bằng cách phát các tần số khác nhau ở trong thời điểm xác định. Cịn ở TH/SS thì tránh khơng để trong một thời điểm cĩ nhiều hơn 1 người phát. Thứ hai, các hệ thống DS/SS cĩ chất lượng tốt hơn (SNR hơn khoảng 3dB) so với FH/SS nhờ giải điều chế nhất quán nhưng địi hỏi cao ở mạch khố pha sĩng mang. Thứ ba, với cùng tốc độ đồng hồ của bộ tạo mã PN, FH/SS cĩ thể nhảy trên băng tần rộng hơn nhiều so với băng tần của tín hiệu DS/SS. Ngồi ra cĩ thể tạo tín hiệu TH/SS cĩ độ rộng băng tần gấp nhiều lần so với DS/SS khi cùng tốc độ đồng hồ. Các hệ thống DS/SS nhạy cảm với vấn đề gần xa cịn FH/SS nhạy cảm với việc bảo mật thơng tin. Thứ tư là thời gian bắt mã PN ở FH/SS ngắn nhất cịn với DS/SS và TH/SS địi hỏi dài hơn. Ngồi ra, các hệ thống FH/SS chịu được fading nhiều tia và nhiễu trong khi DS/SS lại chịu tác động khá nhiều. 1.3.3.3 Các hệ thống lai ghép Ngồi các kĩ thuật trải phổ ta đã nghiên cứu trên người ta cĩ thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kĩ thuật DS, FH, TH. Các hệ thống này là sự kết hợp những ưu điểm của từng kĩ thuật trải phổ. Tuy nhiên việc thực hiện các hệ thống này khá phức tạp và ứng dụng chủ yếu trong hệ thống thơng tin quân sự. * Nhảy tần/chuỗi trực tiếp FH/DS Tín hiệu cĩ dạng: SFH/DS(t)=A.c(t).sFH(t) (1.41) Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu gây nghẽn và pha đinh nhiều tia đồng thời cho phép trải phổ trên băng tần khơng liên tục và ít nhạy cảm với hiện tượng gần-xa. * Hệ thống nhảy tần-thời gian lai ghép Tín hiệu cĩ dạng như sau: STFH(t)=A.sTH(t)sTH(t) (1.42) Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng theo thời gian cũng như tần số, giải quyết tốt vấn đề gần xa. * Hệ thống nhảy thời gian/chuỗi trực tiếp Tín hiệu cĩ dạng : STH/DS(t)=A.sTH(t)c(t)cos(2fct+ ) (1.43) Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng theo thời gian và giảm ảnh hưởng của nhiễu gần. * Hệ thống nhảy thời gian-tần số/chuỗi trực tiếp TFH/DS Tín hiệu cĩ dạng : STHF/DS(t)=A.sTH(t).sFH(t) (1.44) Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa kênh lớn nhất nhưng rất phức tạp và tốn kém. Kết luận: Chương I đã nghiên khái quát về lý thuyết trải phổ và đặc điểm của hệ thống thơng tin trải phổ từ đĩ đưa ra mơ hình tổng quát nhất của hệ thống thơng tin trải phổ và đánh giá khả năng của các hệ thống đĩ. Đồng thời trình bày về các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), hệ thống trải phổ nhảy tần và các hệ thống trải phổ nhảy thời gian và lai ghép. Trong chương này ta nghiên cứu sâu hơn vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp khi xem xét đến các hệ thống trải phổ dẫy trực tiếp tín hiệu điều chế pha nhị phân (DS/SS_BPSK) và trải phổ trực tiếp tín hiệu khố chuyển pha vuơng gĩc (DS/SS _QPSK), so sánh để thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống này. Sau cùng là đánh giá hiệu năng của hệ thống (DS/SS) trong mơi trường tạp âm Gausse trắng cộng và nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia. Phần cuối là so sánh các hệ thống trải phổ để thấy được ưu điểm và nhược điểm của mỗi hệ thống làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng nĩ trong các hệ thống thơng tin di động tế bào mà ta xét ở các chương sau. CHƯƠNGII CƠ SỞ CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG CDMA 2.1 Đặc điểm Vấn đề quan trọng đặt ra khi thiết kế mạng thơng tin di động số là việc lựa chọn sơ đồ đa truy nhập cho phép chia sẻ cùng một dải tần vơ tuyến. Các kĩ thuật đa truy nhập chính được sử dụng trong thơng tin di động số như sau: Đa truy nhập theo tần số (FDMA) Đa truy nhập theo thời gian (TDMA) Đa truy nhập theo mã (CDMA) Ở các sơ đồ ứng dụng kĩ thuật FDMA, tồn bộ dải tần của hệ thống được chia nhỏ thành 2N băng tần con, mỗi băng tần con được gán cho một người sử dụng và nĩ bị chiếm dụng trong suốt quá trình cuộc gọi. Trong sơ đồ TDMA mỗi người sử dụng được cấp cho một khe thời gian trong suốt quá trình gọi. Ở cả hai hệ thống này số lượng người dùng được quyết định bởi số lượng các tần số hoặc các khe thời gian cĩ sẵn. Với sơ đồ CDMA tất cả những người sử dụng cùng phát trên một kênh vơ tuyến. Tín hiệu phát đi chiếm tồn bộ dải thơng của hệ thống và các mã được sử dụng để phân biệt các người dùng với nhau. Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tương đương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao. Cịn trong các hệ thống thơng tin di động tế bào và thơng tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so với các kĩ thuật khác. Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thống nhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập. Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tế bào thế hệ đầu tiên thì fading nhiều tia cĩ thể gây tổn hao rất lớn SNR. Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu một cách độc lập. Phân tập theo tần số, thời gian và theo đường truyền làm giảm đáng kể fading trong CDMA. Trong đĩ phân tập theo đường truyền được áp dụng hiệu qủa đối với CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơn trong mơi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn. Thứ hai là nhờ cĩ điều chỉnh cơng suất mà hệ thống thơng tin di động tế bào CDMA trong mơi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xa và giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với các trạm gốc khác (tế bào lân cận). Việc cơng suất phát thấp tức giảm tỉ số Eb/N0 khơng chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà cịn giảm thiểu được tạp âm và nhiễu giao thoa đồng thời giảm cơng suất phát yêu cầu đối với máy di động. Hơn nữa việc giảm cơng suất phát yêu cầu sẽ làm tăng khả năng phục vụ dẫn đến làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơn với cơng suất thấp khi so với hệ thống TDMA và FDMA cĩ cơng suất tương tự.. Ngồi ra ưu điểm của việc điều khiển cơng suất trong CDMA là việc giảm cơng suất phát trung bình, trong hệ thống FDMA hay các hệ thống băng hẹp thì cơng suất phát cao luơn được yêu cầu để khắc phục fading theo thời gian, cịn ở CDMA cơng phát tăng chỉ khi cĩ fading và cơng suất yêu cầu chỉ phát khi cĩ điều khiển cơng suất. Thứ ba là hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao nên việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khĩ khăn đối với hệ thống tế bào số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã được trộn bởi chuỗi giả ngẫu nhiên nên máy thu khơng chủ định rất khĩ thu được nếu khơng biết được mã. Thứ tư là nhờ cĩ chuyển giao mềm chỉ cĩ ở hệ thống thơng tin di động tế bào CDMA mà việc xảy ra rớt cuộc gọi là khơng cĩ. Chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” và chỉ làm việc ở vùng sử dụng chung tần số tức trạm BS mới và BS cũ cĩ cùng tần số nên trạm khơng cần thay đổi tần số khi nĩ chuyển đến cell khác. Quá trình chuyển giao mềm xảy ra từ từ kết hợp cùng với sự trao đổi thơng tin chuyển đổi liên tục giữa trạm di động và BS khi cĩ tín hiệu cho phép mới chuyển đổi thực sự. Trong khi hệ thống di động tế bào FDMA và TDMA chấp nhận chuyển giao cứng theo nguyên tắc “cắt trước khi nối” nên cĩ thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ bị cắt. Thứ năm là CDMA đặc biệt vượt trội hơn so với FDMA và TDMA và các hệ thống khác trong mơi trường đa tế bào nhờ khả năng tái sử dụng tần số, một người sử dụng tích cực cĩ thể sử dụng tồn bộ băng tần và người này cĩ thể tự do truyền trong mọi thời điểm. Nhờ cĩ điều khiển cơng suất mà hạn chế được mức giao thoa, việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn so với hệ thống FDMA và TDMA. Do các hệ thống điều chế băng hẹp này yêu cầu tỉ số sĩng mang/nhiễu vào khoảng 18dB nên việc tái sử dụng tần số cịn hạn chế khi đĩ một kênh sử dụng cho một BS sẽ khơng được sử dụng cho một BS khác. Hơn thế nữa, trong các hệ thống FDMA, TDMA các băng tần hay các khe thời gian được phân cách nhau bởi các băng bảo vệ hay thời gian bảo vệ, các khoảng cách này làm lãng phí số phần trăm nào đĩ của tổng độ rộng băng tần (hay thời gian) vì thế dung lượng nhỏ hơn N. Ngồi ra, khi một người sử dụng tích cực đã được dành một băng tần hay một khe thời gian người này sẽ chiếm dụng hồn tồn mơi trường truyền dẫn trong suốt thời gian diễn ra cuộc thoại. Do đĩ hiệu quả sử dụng băng tần hay khe thời gian kém, dung lượng kênh sẽ khơng vượt qua quá N(N: số băng tần hay số khe thời gian). Hệ số tái sử dụng của FDMA kém hơn so với CDMA bởi thừa số tái sử dụng tần số F, nĩ được tính là: KFDMA= (máy di động/cell) Việc sử dụng lại tần số ở tế bào khác phải đảm bảo đủ xa để tín hiệu trong hai tế bào này khơng gây nhiễu lên nhau. Trong khi đĩ, đối với CDMA các trạm di động sử dụng cùng băng tần và khơng cĩ sử dụng lại tần số nên cĩ thể coi hệ số tái sử dụng trong hệ thống tế bào CDMA bằng 1. Tỉ số KCDMA với KFDMA bằng với v là thừa số tích cực tiếng, Ns là số đoạn ở trạm gốc. Một đặc tính quan trọng của hệ thống CDMA là tính mềm dẻo về dung lượng. Khi số người sử dụng tăng lên thì xác suất lỗi bít càng tăng, tức là cĩ thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi cuộc gọi khác hồn thành, do đĩ tránh được việc tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Cịn ở hệ thống FDMA và TDMA cĩ giới hạn dung lượng cứng, nhiều người sử dụng thừa bị từ chối. Ngồi ra, hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp lớp dịch vụ chất lượng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định cơng suất nhiễu cho các người sử dụng dịch vụ lớp cao. Cĩ thể cung cấp ưu tiên cao hơn đối với dịch vụ chuyển vùng của người sử dụng lớp dịch vụ cao so với người sử dụng thơng thường. Hơn thế nữa, trong thơng tin thoại ta cĩ thể tăng dung lượng của hệ thống CDMA nhờ đặc tính tích cực của thoại, mức MUI hiệu dụng giảm nhờ thừa số tích cực tiếng (»3/8) vì người ta thường dừng khi nĩi chuyện. Bằng cách giám sát tính tích cực tiếng nĩi sẽ loại bỏ sĩng mang ở thời gian khơng cĩ tiếng nĩi và các nhiễu giao thoa xuyên đường giảm. Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng hệ thống lên 8/3 lần. Đối với FDMA và TDMA khĩ áp dụng được yếu tố tích cực thoại bởi vì các hệ thống này khơng cĩ tranh chấp nên quá trình làm im lặng khơng tăng dung lượng và thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài. Nhờ cĩ bộ mã hố tiếng cĩ tốc độ thay đổi sử dụng trong hệ thống CDMA nên một số kiểu dịch vụ chất lượng thoại chịu các yêu cầu khác nhau cĩ thể được cung cấp. Bộ mã hố tiếng nĩi được MSC điều khiển theo tốc độ khác nhau để chúng cĩ thể sử dụng chung. Một số kiểu dịch vụ thoại (số liệu, fax, video, ISDN…) hoạt động với tốc độ bộ mã hố tiếng nĩi khác nhau. Các yêu cầu của kênh dịch vụ này cĩ thể đáp ứng đầy đủ.. Khi sử dụng bộ mã hố hoạt động với tốc độ thấp 4kps, tăng dung lượng gấp 1,7 lần( dung lượng hệ thống khơng gấp đơi bởi vì truyền dẫn tốc độ thấp yêu cầu để trống trong thoại). Do các tính năng vượt trội trên cùng với các thiết bị nhỏ gọn hệ thống CDMA ngày càng được sử dụng rộng dãi trong hệ thống di động tế bào. Hệ thống CDMA IS-95 phát triển mở rộng tiêu chuẩn hĩa W-CDMA với độ rộng băng tần lớn làm cho dung lượng cao hơn, sử dụng nhiều dịch vụ với tốc độ cao như truyền hình ảnh, fax,… Ngồi ra nĩ cịn hoạt động khơng cần cấp giấy phép ở 3 lĩnh vực cơng nghiệp, khoa học và y tế với cơng suất 1W chồng lấn băng tần mà khơng gây nhiễu. Bên cạnh đĩ hệ thống CDMA cĩ một số nhược điểm chính đĩ là nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng và hiệu ứng xa gần. Nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng phát sinh do các dãy mã khơng trực giao. Nguyên nhân là trong hệ thống thơng tin di động ngồi tín hiệu thu mong muốn cịn cĩ các thành phần tín hiệu của những người sử dụng khác. Các tín hiệu này được phát độc lập với nhau (tần số sĩng mang giống nhau nhưng pha của sĩng mang khác nhau) và ảnh hưởng của trễ truyền lan nên đến trạm gốc là khơng cùng lúc. Do trễ thời gian của chúng phân bố ngẫu nhiên nên tự tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng khác nhau là khác khơng. Tương quan chéo nhỏ gây ít nhiễu, vì vậy trong mơi trường đa người sử dụng để giảm nhiễu giao thoa người ta phải thiết kế các tín hiệu PN sao cho chúng cĩ tương quan chéo nhỏ. Hạn chế cơ bản đối với hệ thống CDMA là hiệu ứng xa gần. Hiện tượng này xuất hiện khi tín hiệu thu được tại trạm gốc khá yếu từ một máy di động ở xa bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh của nguồn nhiễu gần đĩ. Tín hiệu nhiễu với cơng suất lớn hơn n lần so với tín hiệu mong muốn sẽ cĩ tác động tương đương với n tín hiệu nhiễu cĩ cơng suất bằng cơng suất của tín hiệu. Khi nguồn gây nhiễu tiến đến gần máy thu tác động của nguồn nhiễu tăng rất mạnh làm cho SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở lên quá lớn làm giảm dung lượng của hệ thống. Để khắc phục hiện tượng này trong các hệ thống CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển cơng suất ở cả đường lên và đường xuống nhằm giảm thiểu tác động của nhiễu đến dung lượng của hệ thống. Ở hệ thống CDMA tế bào vấn đề điều khiển cơng suất địi hỏi rất khắt khe để bảo đảm mức cơng suất mà trạm gốc thu được từ các trạm di động gần giống nhau. Đối với CDMA đường xuống cĩ thể sử dụng điều chế nhất quán như QPSK hay MSK, cịn CDMA đường lên thường sử dụng điều chế khơng nhất quán như DPSK, FSK cho hiệu quả tốt hơn. Trong chương này ta xem xét hiệu năng của hệ thống CDMA. Mơ hình hệ thống di động tế bào được cho như hình vẽ sau. Trạm gốc Máy di động Hình 2.1 Hệ thống thơng tin di động tế bào 2.2 Nguyên lý CDMA Trong trải phổ chuỗi trực tiếp, phổ của tín hiệu số băng gốc được mở rộng nhờ một mã giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ. Tín hiệu trải phổ cĩ mật độ phổ cơng suất thấp (đo bằng W/Hz). Đối với một máy thu thơng thường nĩ thể hiện gần giống như tạp âm nền và thường ít gây nhiễu. Khi các tín hịu trải phổ sử dụng cùng một băng tần sẽ cĩ một lượng xuyên âm nhất định hay giao thoa tương hỗ, tuy nhiên khơng như ở truyền dẫn băng hẹp nhiễu khơng gây nguy hiểm. Điều này cĩ thể thực hiện được là vì cĩ thể thiết kế các mã trải phổ tốt với các giá trị tương quan chéo thấp để chúng hầu như trực giao. Nhờ vậy, nhiều tín hiệu trải phổ cĩ thể sử dụng chung kênh tần số mà khơng gây nhiễu tương hỗ nghiêm trọng. Tuy nhiên hiệu năng của hệ thống sẽ giảm đáng kể khi tăng số người sử dụng. Chương này sẽ tập trung vào trải phổ chuỗi trực tiếp và nghiên cứu một ứng dụng đặc biệt đĩ là thơng tin đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) mà chủ yếu là DS/CDMA. 2.2.1 Giải điều chế trong hệ thống CDMA Ta đi xét hệ thống DS/CDMA một cách chi tiết, sơ đồ khối điển hình được mơ tả ở hình 2.2. t1 t2 c1(t) c2(t) tk ck(t) r(t) n(t) b1(t) b2(t) bk(t) Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống DS/CDMA Từ sơ đồ khối, giả thiết rằng cĩ K người sử dụng độc lập dùng chung một tần số sĩng mang và cĩ thể phát đồng thời tới máy thu. Mỗi tín hiệu phát được gán một chỉ số k, k =1, 2, …,K. Dạng sĩng số liệu cơ số hai bk(t) là hàm chữ nhật cĩ biên độ ±1và cĩ thể đổi dấu sau T giây, nĩ được biểu diễn bởi: bk(t) = (2.1) Dạng sĩng trải phổ ck(t) cũng cĩ dạng hàm chữ nhật nhưng nĩ tuần hồn và cĩ tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bit số liệu, nĩ được biểu diễn bởi: ck(t)= (2.2) Ta giả thiết rằng, thời gian một bit số liệu (T giây) chứa đúng một chu kì (N chíp) mã trải phổ sao cho tốc độ chíp bằng , trong đĩ Tc là thời gian chíp hay độ lâu chíp. Vì vậy tốc độ chíp gấp N lần tốc độ bit. Tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp trên đầu ra cĩ dạng : s(t) = bk(t) ck(t). (2.3) Tín hiệu s(t) cĩ độ rộng băng tần bằng B =2/Tc =N.2/T lớn gấp N lần băng truyền dẫn cần thiết thơng thường đối với BPSK. Cơng suất trung bình của s(t) bằng P và coi rằng các tín hiệu thu được cĩ cơng suất là như nhau (điều này đúng khi cĩ điều khiển cơng suất), thơng số là pha của sĩng mang. Nếu mơ hình hố kênh thu bởi tạp âm n(t) là tạp âm trắng cộng Gaussian (AWGN) cĩ phương sai là , trên kênh chỉ cĩ nhiễu đa truy nhập gây ra bởi những người sử dụng khác và bản chất kênh là cộng thì tất cả các tín hiệu phát đều trễ và tạp âm cộng với nhau ở máy thu. Tại đầu vào của máy thu thứ nhất tín hiệu thu được là tổng các tín hiệu của K người sử dụng đã phát đi và tạp âm trên kênh truyền : r(t) = (2.4) trong đĩ ak là hệ số suy giảm của tín hiệu thứ k khi truyền trên kênh. Tín hiệu này được nén phổ bằng cách nhân với mã trải phổ c1(t) được tạo ra ở máy thu thứ nhất (giả thiết mã trải phổ tạo ra ở máy thu đồng bộ với mã trải phổ bên phát), loại bỏ sĩng mang bằng phương pháp nhất quán (nhân với ). Sau đĩ lấy tích phân trong khoảng thời gian T giây để khơi phục lại năng lượng kí hiệu số liệu và đồng thời loại bỏ tạp âm ngồi băng. Người ta đưa ra mơ hình máy thu tương quan nhất quán ở hình 2.3. Máy thu tương quan thực hiện tương quan tích cực, ta cĩ thể thực hiện nĩ ở dạng một bộ lọc thích ứng là phần tử thụ động, tuy vậy thực hiện được điều này rất khĩ nếu độ dài của chuỗi trải phổ khá lớn. Đầu ra của bộ tương quan được lấy mẫu sau đĩ đưa đến mạch ngưỡng để nhận lại các bit số liệu. t=iT “1” “-1” > < 0 r (t) c1(t) Hình 2.3 Máy thu tương quan nhất quán Ta xét đến xác suất lỗi bit là một hàm của E0/N0 , giả thiết ta mơ hình (K-1) tín hiệu nhiễu băng rộng như là AWGN, nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng MUI sẽ tạo nên tạp âm bổ sung cĩ PDF hai biên bằng : (2.5) với (K-1)P là cơng suất kết hợp của (K-1) tín hiệu nhiễu. Khi này SNR mới thu được là : SNR= (2.6) Mặt khác, đối với BPSK, B=2/Tc nên ta cĩ : Pb,BPSK =Q (2.7) trong đĩ Eb=PT là năng lượng bit trung bình, N=T/Tc ,s và Q(x)= (2.8) Từ phương trình (2.7) ta thấy rằng xác suất lỗi bit tăng khi số người sử dụng đồng thời K tăng và giảm cùng với thừa số trải phổ N, đồng thời khi biết trước E0/N0 và thừa số trải phổ N ta cĩ thể ước lượng được số người sử dụng cho phép trong hệ thống. Ở phần trên ta mơ hình hố nhiễu giao thoa như tạp âm trắng, trong thực tế PDS của nĩ khơng phẳng. Phần sau ta nghiên cứu và đưa ra biểu thức chính xác hơn cho p.b.e 2.2.2 Xác suất lỗi bit, p.b.e Một cách tổng quát, ta cĩ thể viết biến quyết định Z ở đầu ra của bộ tương quan tại thời điểm t = T là tổng của các thành phần tín hiệu, tạp âm và nhiễu giao thoa : Z= (2.9) Thành phần tạp âm h là một biến Gaussian độc lập, thành phần MUI với I là tổng của K-1 thành phần độc lập cĩ dạng : (2.10) Để đơn giản cho tính tốn ta coi K là lớn và MUI cĩ phân bố ngẫu nhiên Gaussian độc lập. Do đĩ, trung bình của bằng khơng và mỗi Ik cĩ trung bình bằng khơng. Phương sai của I bằng tổng phương sai của Ik và được xác định: Var(Ik)= E() –[E(Ik)]2 (2.11) Xác suất trung bình lỗi bit cĩ thể được tính là: Pb= (2.12) giả thiết rằng xác suất phát đi bit “-1” và “+1” là như nhau, xác suất lỗi bit là: Pb = Pr (Z<0) = Q() = (2.13) trong đĩ: là một thơng số của nhiễu giao thoa Cơng thức (2.12) chỉ phụ thuộc vào việc chọn K chuỗi, với PN dài ta cĩ thể mơ hình hố chúng như các chuỗi ngẫu nhiên trong đĩ mỗi chip của chuỗi là một biên ngẫu nhiên rời rạc độc lập nhận các giá trị “-1” hay “+1” với xác suất như nhau. Khi đĩ Pb chỉ cịn phụ thuộc vào tỉ số Eb/N0, K và N. Cơng thức (2.13) đạt khá chính xác khi K lớn cịn với K nhỏ ta chưa xác định được. Do đĩ ta sẽ đưa ra cơng thức tính Pb chính xác hơn. Đặt V==v, xác suất lỗi bit cĩ thể tính như sau: (2.14) Để tìm kì vọng ở (2.14) ta sử dụng khai triển Taylor với cách đặt: g(V) = (2.15) Khai triển và rút gọn, ta đưa ra cơng thức tính xác suất lỗi bit như sau: (2.16) trong đĩ: là phương sai của V, chọn ta phải tính được và Bằng các phép tính tốn khá phức tạp người ta tính được: = (2.17) = (2.18) c2= (2.19) Xác suất lỗi bit được xác định là: (2.20) 2.2.3 Dung lượng cực đại của CDMA một tế bào Dung lượng của các hệ thống CDMA bị hạn chế bởi nhiễu đa truy nhập do đĩ ta cần xem xét đến khả năng dung lượng lớn nhất của hệ thống cĩ thể đạt được phục vụ trong quá trình thiết kế hệ thống. Giả sử cĩ K tín hiệu cĩ cùng cơng suất Pk tồn tại trên một băng tần, thì tập âm tại đầu vào của máy thu bất kì là : (2.21) Tỉ số năng lượng tín hiệu trên tạp âm là: (2.22) với N là hệ số trải phổ. Khi xét đến tạp âm nhiệt cĩ cơng suất là thì : (2.23) Dung lượng của hệ thống được xác định là: (2.24) Bỏ qua tác động của nhiễu thì số người sử dụng bị giới hạn là: (2.25) Để tăng dung lượng của hệ thống CDMA người ta đưa ra một số biện pháp đĩ là giảm nhiễu từ những người sử dụng khác lên hệ thống. Ngồi ra, cịn thực hiện phân vùng sử dụng an ten kết hợp với việc dùng các an ten cĩ độ định hướng cao. Trong một tế bào nếu sử dụng 3 an ten thì dung lượng tăng lên khoảng 3 lần. Một phương pháp khác để tăng dung lượng là giám sát độ tích cực của tiếng nĩi. Khi áp dụng cả 3 biện pháp trên thì giới hạn dung lượng của hệ thống (số người sử dụng trong một khu vực ) là: (2.26) với là hệ số tích cực tiếng nĩi Số người sử dụng trong một tế bào là: (2.27) Nếu hệ số tích cực thoại =3/8 thì dung lượng của hệ thống tăng gấp 8 lần so với hệ thống dùng an ten vơ hướng và khơng cĩ sự giám sát tiếng nĩi. Ta cũng cĩ thể tính dung lượng cực đai của hệ thống từ (2.20), biết rằng: Q(x)= với x lớn (2.28) nên K , hay nĩi cách khác số người sử dụng đồng thời khơng thể lớn hơn một phần ba hệ số trải phổ khi tỉ số lỗi bit cực đại là 10-3. 2.3 CDMA ở các kênh fading nhiều tia Truyền dẫn vơ tuyến qua các kênh thơng tin thực tế chịu ảnh hưởng rất lớn của fading nhiều tia. Khi một tín hiệu hình sin được truyền qua một kênh fading nhiều tia, các bản sao của của tín hiệu gốc thu được do sự tán xạ cũng như phản xạ trong mơi trường. Biên độ cũng như thời gian trễ của các tín hiệu này cĩ thể thay đổi. Do đĩ, để đánh giá nĩ một cách chính xác ta xét đặc trưng của kênh cĩ fading nhiều tia. 2.3.1 Đặc trưng của kênh fading nhiều tia Khi truyền một xung tín hiệu cĩ độ rộng rất nhỏ qua một kênh đa đường thay đổi theo thời gian thì tín hiệu nhận được cĩ thể là một dãy xung được mơ tả như ở hình 2.4. Như vậy, một đặc trưng của kênh đa đường là sự trải rộng theo thời gian đối với tín hiệu truyền qua kênh. Một đặc trưng thứ hai là do sự thay đổi theo thời gian trong cấu trúc đường truyền. Sự thay đổi theo thời gian làm tính chất của các đường truyền cũng thay đổi theo thời gian. Như vậy nếu lặp lại việc truyền xung thêm nhiều lần thì các xung nhận được sẽ cĩ sự thay đổi. Sự thay đổi này gồm cĩ thay đổi về độ lớn của xung, độ trễ giữa các xung và cĩ thể cịn là số xung nhận được trong một lần truyền. t=t0 t=t1 t=t1+t11 t=t1+t12 t=t0+a t=t2 t=t2+t21 t=t2+t22 t=t2+t23 t=t0+b t=t3 t=t3+t31 t=t3+t32 t=t3+t33 t=t3+t43 t=t0+b t=t3 t=t3+t31 Tín hiệu truyền đi Tín hiệu nhận được (a) (b) (c) (d) Hình 2.4 Đáp ứng của kênh thay đổi theo thời gian với xung cĩ độ rộng rất hẹp Tổng quát, ta xét tín hiệu truyền cĩ dạng sau: s(t)= (2.29) Giả thiết rằng, tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau tới phía thu và ứng với mỗi đường truyền cĩ một khoảng thời gian trễ và độ suy hao thay đổi theo thời gian. Tín hiệu thu cĩ thể được cĩ dạng: (2.30) Thay s(t) trong (2.29) vào (2.30) ta nhận được: (2.31) Từ (2.31) ta thấy tín hiệu tần số thấp tương đương nhận được là: (2.32) Do rl(t) là đáp ứng của kênh tần số thấp tương đương đối với tín hiệu vào tần số thấp tương đương sl(t) nên ta cĩ thể mơ tả kênh tần số thấp tương đương bằng đáp ứng xung thay đổi theo thời gian như sau: (2.33) Đối với nhiều kênh thì tín hiệu nhận được bao gồm vơ số các đường cĩ độ suy hao biến đổi liên tục và tín hiệu nhận được cĩ thể biến đổi thành dạng: . (2.34) Do đĩ trong a(t;t) là độ suy hao của thành phần tín hiệu cĩ độ trễ t tại thời điểm t. Thay s(t) trong (2.29) vào (2.34) dẫn tới: (2.35) Từ cơng thức này dẫn tới : (2.36) ở đây c(t;t) thể hiện đáp ứng của kênh ở thời điểm t đối với xung đầu vào ở thời điểm (t-t). Xét việc truyền một sĩng mang khơng điều chế qua kênh (đây là một phép thử) ở tần số fc. Như vậy sl(t) = 1 với mọi t và do đĩ tín hiệu nhận được đối với kênh đa đường rời rạc là: (2.37) trong đĩ : (2.38) Như vậy tín hiệu nhận được là tổng các véc tơ cĩ biên độ an(t). Chú ý rằng cần phải cĩ một sự thay đổi lớn đối với đường truyền mới đủ để an(t) thay đổi đáng kể trong tín hiệu nhận được. Mặt khác, qn(t) thay đổi 2p khi tn thay đổi 1/fc. Do 1/fc nhỏ nên qn(t) sẽ thay đổi 2p rad khi cĩ một sự thay đổi nhỏ trong đường truyền. Do tn(t) cũng thay đổi một cách ngẫu nhiên nên tín hiệu nhận được rl(t) trong (2.37) cĩ thể mơ hình hố bằng một quá trình ngẫu nhiên. Khi cĩ rất nhiều đường truyền khác nhau thì ta cĩ thể sử dụng định lý giới hạn trung tâm. Như vậy ta cĩ thể mơ hình hố rl(t) bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussianian giá trị phức và điều đĩ cĩ nghĩa là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian c(t;t) cũng là một quá trình ngẫu nhiên giá trị phức theo biến thời gian t Tín hiệu nhận được rl(t) do quá trình truyền theo nhiều đường truyền khác nhau từ phía phát tới phía thu gọi là tín hiệu fading. Hiện tượng fading chủ yếu là do sự thay đổi theo thời gian trong tập hợp pha {qn(t)}. Do hiện tượng fading nên các thành phần tín hiệu nhận được cĩ thể làm suy yếu nhau hay tăng cường nhau gây ra sự thay đổi về biên độ của tín hiệu nhận được, hay tính fading của tín hiệu nhận được là do sự thay đổi về các thơng số của các đường truyền. 2.3.2 Fading nhiều tia Trong các hệ thống thơng tin trải phổ, các tín hiệu nhiều tia cĩ thời gian trễ tương đối nhỏ hơn thời gian của một chip (Tc giây) thì khơng thể phân giải được. Giả sử cĩ rất nhiều các tín hiệu nhiều tia đến điểm thu trong khoảng Tc giây. Các tín hiệu này sẽ cộng với nhau ở điểm thu và sự đĩng gĩp chung của chúng ở đầu ra của máy thu cĩ thể mơ hình kiểu Gaussian theo định lý giới hạn trung tâm. Do sự khác nhau về pha, một số tín hiệu cĩ thể được cộng và một số cĩ thể bị trừ. Kết quả cho ta một hình bao tín hiệu ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian và hiện tượng này được gọi là fadinh tín hiệu. Cĩ thể mơ hình hố fadinh cho các tín hiệu nhiều tia khơng phân giải thu được trong khoảng thời gian Tc như sau: (2.39) Biểu thức trên bao gồm thành phần truyền thẳng và thành phần phân tán, trong đĩ là hằng số suy hao, là trễ tuyệt đối, là pha khơng đổi, là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình khơng và là pha ngẫu nhiên cĩ phân bố đồng đều. Thành phần thứ nhất trong biểu thức (2.39) là thành phần đi thẳng cĩ suy hao khơng đổi là và pha khơng đổi là . Thành phần thứ hai gọi là thành phần phân tán hay ngẫu nhiên cĩ suy hao phân bố Gaussian ngẫu nhiên và pha ngẫu nhiên phân bố đều . Người ta đưa ra thừa số fading đánh giá tỉ số của cơng suất thành phần đi thẳng và cơng suất thành phần phân tán: (2.40) bằng cách đạt phương sai = biểu thức (2.39) cĩ thể viết thành: (2.41) trong đĩ , và Vì vàkhơng là các biến ngẫu nhiên tương quan với nhau (vì) nên chúng cũng độc lập với nhau. Chúng cĩ phương sai Var() = Var() = nhưng trung bình khác nhau E()=acos và E() = asin. Suy hao biên độ ngẫu nhiên A gây ra do fading nhiều tia là: A= (2.42) là biến ngẫu nhiên Rician cĩ hàm mật độ xác suất xác định bởi: , với a (2.43) Vì vậy fading biên độ cịn được gọi là fading Rician với hệ số . Khi thì khơng cĩ thành phần phân tán tức là khơng cĩ fading. Ngược lại, thì thành phần đi thẳng khơng cĩ và biên độ ngẫu nhiên sẽ phân bố Rayleigh. Ta xét hệ thống CDMA/BPSK, giả thiết cĩ Lk tín hiệu phân giải đối với k người sử dụng. Tổng tín hiệu thu và tạp âm ở một kênh fading Rician là: r(t)= (2.44) trong đĩ Aki là biến ngẫu nhiên Rician độc lập. Bỏ qua MUI, chỉ xét đến quá trình phát của người thứ nhất với L1= L tia phân giải. Giả sử chỉ cĩ tín hiệu thứ nhất trong L tia phân giải được máy thu thu cịn (L-1) tia cịn lại đều bị dịch thời gian lớn hơn thời gian một chíp và chúng thể hiện là nhiễu tự giao thoa hay tự tạp âm đối với máy thu. Bỏ qua tự tạp âm, dạng sĩng thu được là: (2.45) trong đĩ E(A)= và là một hằng số vì tách sĩng nhất quán. Khi này xác suất lỗi bit cĩ điều kiện nhận được bằng cách lấy trung bình trên A11: PbPSK= (2.46) với A11 là biến ngẫu nhiên Rician cĩ thơng số và . Nếu coi cơng suất tín hiệu được phân bố đều trên L tia, ta được + =1/L do bảo tồn cơng suất. Từ biểu thức (2.40) ta rút ra được: = (2.47) = (2.48) khi này E(A)==1/L, fading khơng làm thay đổi tổng cơng suất trung bình tuy nhiên nĩ tạo lên tính ngẫu nhiên ở biên độ tín hiệu thu và tổn hao ở SNR hiệu dụng. Ta nhận được PbBPSK từ (2.46) cho fading Rician: Pb,BPSK =Q(u,v)- (2.49) trong đĩ : (2.50) (2.51) và SNR = là SNR thu trung bình, thừa số 1/L là tổn hao đa tia. Nếu thì khơng cĩ fading và chỉ ra được p.b.e bằng Q(). Ngược lại, nếu ta được fading Rayleigh và cĩ p.b.e là: Pb,BPSK = 1- = (2.52) Khi tính đến cả tự tạp âm và tạp âm MUI với giả thiết chúng tạo nên mật độ phổ tạp âm hai biên bổ xung cĩ giá trị là I0/2 là: (2.53) Lúc này, Pb,BPSK vẫn được tính theo cơng thức (2.49) nhưng với SNR bằng: SNR= (2.54) Từ sự đánh giá ở trên ta thấy rằng, fading nhiều tia cĩ thể gây tổn hao rất lớn ở cường độ trường. Cĩ thể bù trừ tổn hao fading bằng qúa trình xử lí đặc biệt. Trước hết, cĩ thể bù trừ một phần tổn hao fading bằng mã hố kênh sửa sai hiệu quả. Thứ hai nếu cĩ thể đánh giá thời gian trễ, biên độ và pha của các tín hiệu đa tia phân giải được thì cĩ thể kết hợp tối ưu các tín hiệu này để loại trừ hồn tồn tổn hao SNR. Kĩ thuật này được nghiên cứu ở quá trình phân tập và ứng dụng trong máy thu RAKE. 2.3.3 Hiệu ứng Doppler với việc truyền tín hiệu đơn âm Khi MS di động so với BS hoặc khi các chướng ngại vật di động thì các tia sĩng tới máy thu MS cịn chịu tác động của hiệu ứng Doppler. Xét trường hợp đơn giản khi BS phát đi một sĩng mang khơng điều chế cĩ tần số fc, sĩng mang vơ tuyến này truyền tới theo nhiều tia. MS tia sĩng thứ i Xét tia thứ i: Tín hiệu phản xạ thứ i đến máy thu với gĩc tới so với phương chuyển động của máy di động sẽ tạo ra lượng dịch tần Doppler như sau: (2.55) trong đĩ: v : vận tốc chuyển động của máy di động c : vận tốc ánh sáng Tia thứ i thu được cĩ dạng: ri(t)= Ai cos (2.56) với Ai là biên độ ngẫu nhiên của tia sĩng thứ i, là pha ngẫu nhiên phân bố đều. Tần số tín hiệu thu được cĩ thể biểu diễn là: (2.57) Lượng dịch tần Doppler cực đại khi bằng 00 hay 1800 và tăng khi v tăng lên. Hiện tượng này xấu nhất khi MS di chuyển trên xa lộ và các an ten trạm gốc được bố trí trên cầu vượt xa lộ phát sĩng dọc theo xa lộ. Khi phân bố đều, tần số Doppler sẽ cĩ phân bố cosin ngẫu nhiên. Mật độ phổ cơng suất S(f) cĩ thể được tính như sau. Cơng suất tín hiệu tới theo gĩc là cơng suất Doppler S(f).df trong đĩ df là vi phân theo của lượng dịch tần Doppler dẫn đến việc truyền một sĩng mang khơng điều chế sẽ được thu như một tín hiệu nhiều tia, cĩ phổ khơng cịn là một tần số fc đơn mà nĩ được trải trên dải tần () Trong trường hợp phổ tín hiệu là một sĩng mang cĩ điều chế thì phổ thu được ở một MS cĩ tốc độ cụ thể cĩ dạng : S(f)= (2.58) Hình 2.5 Phổ Doppler của một sĩng mang khơng điều chế 2.4 Máy thu RAKE Ở chương trước ta nghiên cứu thấy rằng, các tín hiệu băng rộng trong mơi trường truyền đa tia bị chọn lọc theo tần số. Các kênh như vậy được mơ tả bằng mơ hình đường trễ phân nhánh. Đồng thời do các mã trải phổ CDMA được thiết kế để cĩ tương quan chéo nhỏ giữa các chip liên tiếp nên các thành phần nhiều đường bị trễ đi một khoảng thời gian lớn hơn một chip là khơng tương quan và cĩ thể phân giải được. Các tia phân giải được này cĩ suy hao ngẫu nhiên độc lập và pha ngẫu nhiên, do đĩ các tín hiệu bị trễ đến máy thu là hồn tồn độc lập. Máy thu được thiết kế trên cơ sở cĩ các hàm tương quan phù hợp với các tín hiệu đa tia được gọi là máy thu RAKE. Máy thu này bao gồm một bộ lọc thích ứng (matched filter) và các bộ tương quan theo sau là thiết bị quyết định. Mỗi bộ tương quan được dùng để phát hiện ra thành phần tín hiệu mạnh nhất trong các tín hiệu thu được. Máy thu RAKE về cơ bản là một máy thu phân tập trên cơ sở đường trễ trích nhánh được mơ tả như sau. 2.4.1. Mơ hình máy thu RAKE Bộ lọc thích ứng Bộ tương quan Bộ tương quan Bộ tương quan Thiết bị quyết định c1(t) c2(t) cL(t) b(t) r(t) Hình 2.6 Máy thu RAKE jTc Ta xét K =1 người sử dụng kênh, giả thiết rằng độ trải rộng của trễ đa tia là Ts giây. Khi đĩ sẽ cĩ tín hiệu đa tia phân giải được ở máy thu. Mơ hình máy thu RAKE lọc thích ứng với giải điều chế BPSK được cho như ở hình 2.6 Xét tín hiệu nhị phân truyền qua kênh, chúng là hai tín hiệu cùng năng lượng hoặc trực giao hoặc ngược pha nhau. Khoảng thời gian tín hiệu T thoả mãn điều kiện T>>Tm nên cĩ thể bỏ qua hiện tượng ảnh hưởng chéo giữa các kí hiệu do tính đa đường. Do độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn dải thơng liên kết của kênh nên tín hiệu nhận được cĩ thể biểu diễn thành: (2.57) với i=1, 2 Giả thiết rằng các hệ số của kênh đã biết thì bộ thu tối ưu gồm cĩ hai bộ lọc phối hợp với v1(t) và v2(t), tiếp theo là bộ lấy mẫu và mạch xác định tín hiệu lớn hơn. Các biến xác định cho xác định liên kết trong trường hợp này là: Um= = m=1, 2 (2.58) Từ (2.58) cho phép tính tốn các biến xác định, trong quá trình này hai tín hiệu tham chiếu được làm trễ và lấy tương quan với tín hiệu nhận được rl(t). Một cách khác là bộ thu tối ưu chỉ sử dụng một đường làm trễ, tín hiệu ở mỗi khâu trễ được tương quan với ck(t)., k=1, 2....L; m=1, 2. Cấu trúc máy thu RAKE như vậy được cho bởi hình sau. 2.4.2 Hiệu quả của máy thu RAKE Ta xét trong trường hợp kênh fading đủ chậm để ước lượng các hệ số của ck(t) khơng bị lỗi. Hơn nữa, trong khoảng thời gian tín hiệu, ck(t) được coi là hằng số và kí hiệu là ck. Biến xác định ở (2.58) được viết lại thành: Um=, m=1, 2 (2.59) Giả sử tín hiệu truyền đi là sl1(t) thì tín hiệu thu được là: rl(t)= , (2.60) thay (2.60) vào (2.59) ta cĩ: Um = + , m=1, 2 (2.61) Thơng thường các tín hiệu dải rộng sl1(t), sl2(t) được tạo ra từ các dãy giả ngẫu nhiên nên chúng cĩ tính chất , ; i= 1, 2 (2.62) Giả thiết rằng các tín hiệu nhi phân đang xét thoả mãn tính chất trên thì (2.61) được viết thành: Um= + , m=1, 2 (2.63) Khi các biến nhị phân ngược pha thì chỉ cần xác định một biến, biểu thức (2.63) cĩ thể viết: U1= Re , với (2.64) trong đĩ: Nk= (2.65) là biến ngẫu nhiên Gaussian nhận giá trị phức. Từ biểu thức (2.64) ta thấy, khi tất cả các hệ số cĩ cùng trung bình bình phương thì tốc độ sai của máy thu được xác định qua (2.61) và (2.62). Trường hợp khi các hệ số cĩ trung bình bình phương khác nhau, nghĩa là khác nhau với mọi k thì xác suất lỗi bit cĩ điều kiện là: Pb()= Q() (2.66) với =-1 với tín hiệu ngược pha và =0 với tín hiệu trực giao = (2.67) p()= (2.68) là SNR trung bình trên đường thứ k được định nghĩa là: = (2.69) Hàm đặc tính cĩ dạng: (2.70) Do là tổng của L thành phần độc lập thống kê nên hàm đặc tính của là: (2.71) Biến đổi Furie ngược hàm đặc tính cho ta hàm mật độ phân bố xác suất: p()= , >0 (2.72) trong đĩ được xác định: = (2.73) lấy trung bình xác suất lỗi cĩ điều kiện (2.66) theo (2.72),ta cĩ: Pb= (2.74) Khi >>1 thì xác suất lỗi bít xấp xỉ bằng: Pb= (2.75) *Kết luận: Chương II đi vào trình bày một cách tổng quan về hệ thống thơng tin di động sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo mã (CDMA) khi xét đến việc giải điều chế đồng thời đưa ra cơng thức xác suất lỗi bit và dung lượng của hệ thống một cách khá chính xác. Ngồi ra, ta xét đến ảnh hưởng của kênh fading nhiều tia và hiệu ứng Doppler đối với việc truyền tín hiệu trong hệ thống CDMA. Từ sự đánh giá đĩ ta đưa ra giải pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của fading nhiều tia đến dung lượng của hệ thống bằng cách kết hợp tối ưu các tín hiệu đa tia phân giải được. Kĩ thuật này được nghiên cứu ở quá trình phân tập và ứng dụng trong máy thu RAKE. CHƯƠNG III DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG CDMA Dung lượng của hệ thống tế bào CDMA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số tích cực thoại, việc chuyển vùng mềm trong hệ thống, số đoạn Ns ở anten trạm gốc, độ lợi xử lí hay giới hạn dải động của máy thu, tỉ số năng lượng bít và mật độ phổ tạp âm (Eb/N0), khả năng tắt mở cơng suất của máy thu CDMA, khả năng phân tập đường truyền và điều khiển cơng suất để chống lại ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh… Việc tính dung lượng hệ thống bao gồm tính dung lượng tuyến xuống và dung lượng tuyến lên, cĩ nhiều phương pháp tính dung lượng hệ thống CDMA dựa trên các thơng số khác nhau. Thơng số cĩ giá trị nhất là hiệu suất sử dụng phổ tần và tốc độ bít chuẩn hĩa cực đại. Ở đây ta hiểu hiệu suất sử dụng tần phổ là số cuộc gọi cực đại cĩ thể phục vụ ở một vùng cho trước, nĩ biểu diễn ở số kênh/Hz/cell hay số Erlang/Hz/cell. Nhìn chung ở các phương pháp truyền thống là tính tốn dựa trên việc phân tích tỉ số C/I (sĩng mang trên nhiễu) là hàm bậc nhất của dung lượng (theo đơn vị số kênh/cell hay số kênh/sectơ). Tất cả các kỹ thuật đa truy nhập (TDMA, FDMA, CDMA) theo lí thuyết ta coi rằng cĩ dung lượng như nhau trong một hệ thống lí tưởng. Nhưng đặc biệt với CDMA cĩ một số thuộc tính vượt trội hơn so với các hệ thống khác do đĩ dung lượng của nĩ tăng lên rất nhiều. * Việc tách tín hiệu thoại tích cực(VAD): Chu kì tiếng nĩi tích cực của một người là 38%. Khi mà những người đàm thoại tương ứng ở một tế bào khơng nĩi chuyện, thì VAD sẽ cho phép tất cả những người khác được hưởng lẫn nhau. Theo đĩ nhiễu sẽ giảm được một hệ số là 65%. CDMA là kỹ thuật duy nhất cĩ lợi duy nhất về hiện tượng này. Và nĩ cũng chỉ ra rằng dung lượng CDMA được tăng 3 lần bởi VAD. * Dung lượng mềm: Dung lượng CDMA được giới hạn bởi nhiễu, cịn TDMA và FDMA được giới hạn bởi độ rộng dải thơng. Dung lượng CDMA cĩ giới hạn mềm theo nghĩa mà chúng ta cĩ thể thêm vào một người sử dụng nữa mà sai khác rất ít sự suy giảm tín hiệu. Bất kì một giảm nhiễu đa truy nhập MAI đều dẫn đến tăng dung lượng một cách trực tiếp và tuyến tính. Giới hạn mềm của hệ thống CDMA cĩ thể giảm quá tải cho phép tăng thêm 13dB trong nhiễu đối với tỉ số tạp âm. * Sự phân tích đa đường: Từ khi CDMA trải phổ băng rộng trên tần số giới hạn rộng, kênh truyền di động xuất hiện cĩ tính chọn lọc tần số và cái này cho phép phân tích đa đường(sử dụng máy thu RAKE). Sự phân tập đa đường này là một trong những đĩng gĩp làm tăng dung lượng hệ thống CDMA. * Phân đoạn đối với dung lượng: Phân đoạn trong TDMA và FDMA là để giảm nhiễu tương quan giữa các kênh. Hiệu quả truyền của những hệ thống này giảm và dẫn đến làm giảm dung lượng. Ở hệ thống CDMA phân đoạn làm tăng dung lượng. Phân đoạn được thực hiện bằng cách tạo ra 3 thiết bị vơ tuyến trong 3 đoạn và sự giảm nhiễu lẫn nhau do sự xắp xếp chuyển thành khe làm tăng dung lượng. Nhìn chung bất kì một sự phân cách khơng gian sử dụng anten đa đoạn hoặc đa chùm đều đưa ra sự tăng dụng lượng cho hệ thống CDMA. * Tính tốn tái sử dụng tần số Ở hệ thống tế bào mặt đất, lợi lớn nhất của CDMA so với hệ thống bình thường đĩ là cĩ thể sử dụng tồn bộ dải phổ trên tất cả các tế bào khi mà khơng cĩ một khái niệm nào về sự phân bố tần số trong CDMA. Do dĩ làm tăng dung lượng CDMA bởi phần trăm lớn (nĩ liên quan đến việc tăng hệ số tái sử dụng tần số). 3.1 Mơ hình tổn hao đường truyền Trong thực tế, tổn hao đường truyền tín hiệu vơ tuyến di động chủ yếu do tác động của địa hình và sự cĩ mặt của các đối tượng tán xạ sĩng vơ tuyến dọc theo đường truyền trong mơi trường truyền sĩng vơ tuyến. Số đo suy hao đường truyền là hiệu số giữa cơng suất phát và cường độ trường trung bình của tín hiệu thu được. Do vậy, nhằm đánh giá một cách tương đối sự thay đổi tổn hao cơng suất để từ đĩ thực hiện điều chỉnh cơng suất chính xác người ta đưa ra mơ hình tổn hao đường truyền. Do hiện tượng che khuất mà cơng suất trung bình của tín hiệu thu được dao động theo phân bố chuẩn loga. Hiện tượng che khuất xuất hiện do sự bất đồng nhất của mơi trường truyền, các vật cản lớn như nhà cao tầng, cây cối, các ngọn núi gây nên những tổn hao do tán xạ và nhiễu xạ. Kết quả là cĩ sự thay đổi rất chậm của giá trị trung bình tại chỗ. Giả sử, P là cơng suất của tín hiệu thì hàm mật độ xác suất cĩ dạng: f(P) = (3.1) cơng suất được tính theo [dB] được cho bởi Pd=10lgS, đĩ là biến ngẫu nhiên cĩ phân bố chuẩn với kì vọng là Pd và là phương sai. Khi đĩ, biến ngẫu nhiên P được biểu diễn: (3.2) Mặt khác, cơng suất tín hiệu thu được tại một điểm xác định trong tế bào tỉ lệ nghịch với khoảng cách theo quy luật truyền dẫn cơng suất, nên tổn hao đường truyền giữa trạm di động với trạm gốc tỉ lệ với , trong đĩ r là khoảng cách và là hằng số. Mơ hình đơn giản nhất của sự thay đổi tổn hao cơng suất tín hiệu trên đường truyền là: LP= . (3.3) Với LP là biến ngẫu nhiên đặc trưng cho sự thay đổi tổn hao cơng suất đo bằng dB, là hằng số nhận các giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào mơi trường truyền sĩng bằng 2 ở vùng nơng thơn đến 6 trong mơi trường đơ thị cĩ che khuất. 3.2 Điều khiển cơng suất Trong các hệ thống thơng tin di động tế bào CDMA, các máy di động đều phát chung ở một tần số nên chúng gây nhiễu đồng kênh đối với nhau. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vơ tuyến đối với từng người sử dụng trong mơi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỉ số Eb/N0 Dung lượng của hệ thống di động CDMA sẽ đạt giá trị cực đại nếu cơng suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho ở trạm gốc cơng suất thu được là như nhau đối với tất cả các người sử dụng. Điều khiển cơng suất được sử dụng ở đường lên để hạn chế hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến dung lượng hệ thống. Đối với đường xuống khơng cần thực hiện điều khiển cơng suất trong hệ thống một tế bào vì nhiễu gây ra do tín hiệu của các người sử dụng khác luơn ở mức khơng đổi đối với tín hiệu hữu ích. Tất cả các tín hiệu đều được phát chung nên khơng xảy ra sự khác biệt về tổn hao truyền sĩng như ở đường lên. Ngồi việc làm giảm được hiện tượng gần xa, điều khiển cơng suất cịn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì cơng suất phát trên một người sử dụng, điều này cần thiết để bảo đảm tỉ số lỗi bit ở mức cho trước. Như vậy, điều khiển cơng suất cịn cho lợi là kéo dài thời gian làm việc của pin trong các máy cầm tay. Một phương pháp điều khiển cơng suất là đo tự điều khuyếch (AGC-Automatic Gain Control) ở máy thu di động. Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng cơng suất thu được từ trạm gốc. Cơng suất đo được sẽ cho biết tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng. Máy di động điều khiển cơng suất phát của mình tỉ lệ nghịch với tổng cơng suất mà nĩ thu được, dải điều chỉnh cơng suất cĩ thể phải lên tới 80dB. Phương pháp này được gọi là điều khiển cơng suất vịng hở (OPC- Open-loop Power Control) trong đĩ trạm gốc khơng tham gia vào các thủ tục điều khiển cơng suất. Khi thực hiện điều khiển cơng suất theo vịng hở, vấn đề khĩ khăn đặt ra là tổn hao đường truyền đối với đường lên và đường xuống thay đổi trong phạm vi rất lớn. Tần số trung tâm của đường lên và đường xuống thơng thường nằm ở các băng tần khác nhau do đĩ tổn hao đường truyền với hai đường lên xuống cũng khác nhau. Thí dụ như ở hệ thống IS-95 hai tần số trung tâm này khác nhau 45MHz, tổn hao đường truyền ở hai đường này cĩ thể khác nhau tới vài dB. Một cách khác, cĩ thể thực hiện việc điều khiển cơng suất hiệu quả hơn bằng sơ đồ điều khiển cơng suất vịng kín (CPC- Closed-loop Power Control). Ở phương pháp này địi hỏi trạm gốc phải thường xuyên liên hệ với máy di động để nĩ thay đổi cơng suất một cách thích ứng. Trạm gốc đánh giá cơng suất tín hiệu của người sử dụng ở đường lên và so sánh nĩ với cơng suất ngưỡng danh định. Trên cơ sở mức thu cao hay thấp hơn ngưỡng, trạm gốc phát lệnh một bit đến máy di động để hạ thấp hoặc nâng cao cơng suất phát của máy di động lên một mức cố định theo dB. Phương pháp này được gọi là điều khiển “Bang Bang”. Vịng điều khiển “Bang Bang” sẽ gây trễ bằng tổng của thời gian phát lệnh và thời gian cần thiết để thực hiện lệnh ở máy phát của máy di động. Trong một hệ thống thực tế, người ta cĩ thể sử dụng kết hợp cả điều khiển vịng kín và hở. Cơng suất danh định cĩ thể được gắn với mức cơng suất cần thiết để đạt được tỉ số lỗi bit cho trước. Tuy vậy, do che khuất mà mức cơng suất này cĩ thể thay đổi, vì thế cần cĩ thêm một vịng điều chỉnh cơng suất được gọi là vịng ngồi để điều chỉnh mức cơng suất danh định đến tỉ số lỗi bit yêu cầu. Tốc độ thực hiện điều chỉnh cơng suất phụ thuộc vào việc thiết kế hàm điều chỉnh cơng suất theo sự che tối luật loga chuẩn hay theo sự thay đổi tổn hao đường truyền. Nếu điều khiển cơng suất tuân theo fading đa tia nhanh thì tốc độ điều chỉnh cơng suất phải lớn hơn tốc độ fading cực đại mười lần. Cịn điều chỉnh cơng suất được thiết kế theo thay đổi luật loga chuẩn chậm do che tối thì tín hiệu thu được sẽ thể hiện fadinh Rayleigh nhanh sau khi điều chỉnh cơng suất. Trong thực tế, ở các hệ thống di động việc điều khiển cơng suất khơng thể đạt được như lí thuyết, các thay đổi của tín hiệu thu ở trạm gốc sau khi điều chỉnh cơng suất tuân theo quy luật gần giống phân bố loga chuẩn. Do đĩ vẫn cịn lại một lượng fading dư đáng kể ở tín hiệu sau khi điều chỉnh cơng suất và cơng suất thu được sau khi thực hiện điều chỉnh là : (3.4) trong đĩ và biểu thị bằng dB và là một biến ngẫu nhiên Gaussian. Trong các hệ thống CDMA đa tế bào, ở đường xuống máy thu của các máy di động thu nhiễu từ các tế bào khác nên việc điều chỉnh cơng suất ở đường xuống là cần thiết để ấn định cơng suất cho từng người sử dụng theo cơng suất thực tế mà họ cần để hạn chế mức nhiễu mà họ gây ra. Người ta đưa ra hai sơ đồ điều khiển cơng suất đường xuống. 1. Theo khoảng cách : sử dụng chủ yếu trong mơi trường khơng bị che tối vì khi này suy hao cơng suất chỉ phụ thuộc vào khoảng cách. Trạm gốc sẽ phát đi cơng suất cao hơn cho các trạm ở biên tế bào và cơng suất thấp hơn cho các máy di động gần trạm gốc. Các máy di động sẽ đo được khoảng cách tới trạm gốc nhờ tín hiệu hoa tiêu trạm gốc phát đi. 2. Theo tỉ số C/I : nghĩa là giảm thiểu tỉ số C/I theo nhu cầu từng người sử dụng. Do vậy, mỗi máy di động phải phát thơng tin về C/I đến trạm gốc. Từ đĩ trạm gốc cĩ thể quyết định nên tăng hay giảm cơng suất của người sử dụng cho phù hợp. Bảng 3.1 Số người sử dụng cực đại ở mỗi ơ khi cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất với độ lợi xử lý PG=156; tích cực tiếng nĩi =375 Khơng điều khiển cơng suất Theo C/I Theo khoảng cách Che tối 8 dB Một người sử dụng 38 người sử dụng ............................ Khơng che tối 13 người sử dụng ............................ 30 người sử dụng Từ bảng 3.1 ta thấy dung lượng tăng từ 1 đến 38 lần khi sử dụng sơ đồ điều khiển cơng suất theo C/I và tăng từ 13 đến 30 lần khi thực hiện điều khiển cơng suất theo khoảng cách. 3.3 Tính tốn dung lượng CDMA 3.3.1 Tính dung lượng CDMA đơn bào Ta xem xét một hệ thống đơn bào cĩ M người sử dụng. Giả thiết rằng việc điều khiển cơng suất thực hiện chính xác (điều khiển cơng suất tối ưu), bởi vậy tất cả các tín hiệu đường xuống (reverse link) đều thu được với mức cơng suất như nhau. Khi đĩ mỗi máy di động trong tế bào sẽ nhận được tín hiệu mong muốn cĩ cơng suất là S và (M-1) tín hiệu nhiễu (các tín hiệu nhiễu cũng cĩ mức cơng suất là S). Ta tính được tỉ số tín hiệu trên cơng suất tạp âm là : SNR = (3.5) Từ phương trình (3.5) nhận thấy là dung lượng của hệ thống bị giới hạn bởi SNR. Mặt khác tỉ số năng lượng mỗi bít trên mật độ phổ tạp âm được tính theo cơng thức: (3.6) ở ỉđây Rb là tốc độ bít dữ liệu và Bt là dộ rộng băng tần dải thơng trải phổ tổng cộng, Bt / Rb được gọi là độ lợi xử lí của hệ thống CDMA. Khi tính đến tạp âm h, do nhiễu tạp và tạp âm nhiệt, thì cơng thức (3.6) trở thành: (3.7) Cơng thức (3.7) chỉ ra rằng dung lượng được định nghĩa được xác định là: (3.8) Ở đây tỉ số Eb/N0 là giá trị yêu cầu đủ để thực hiện điều chế và giải điều chế đối với truyền thoại số (tương đương với yêu cầu tỉ lệ lỗi bít tối thiểu là 10-3 hoặc tốt hơn). Sử dụng (3.8) ta cĩ thể so sánh đơn giản hệ thống CDMA với hệ thống đa truy nhập khác. Chúng ta xem xét với một dải thơng 1,25MHz và tốc độ bít là 8kbs sử dụng mã hĩa thoại. Và giả thiết rằng Eb/N0= 7dB là giá trị nhỏ nhất đủ để đạt được các yêu cầu hoạt động của hệ thống ( lỗi bít 10-3 ). Bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng xuyên nhiễu giả mạo và tạp âm nhiệt, số người sử dụng trong hệ thống CDMA (ở dải thơng 1,25MHz) làm việc đồng thời là: (kênh/cell) (3.9) Trong hệ thống AMPS (hệ thống thoại di động của Mỹ) hoạt động cùng với dải thơng thì số người sử dụng đồng thời được cho bởi (kênh/cell). Đối với một D-AMPS dựa trên hệ thống TDMA 3 khe thời gian thì số người là 126 người. Như vậy dung lượng của hệ thống CDMA ít hơn các hệ thống thơng thường khác. Tuy nhiên khi xét đến các thuộc tính khác như VAD, phân đoạn, tái sử dụng tần số,… thì sẽ cho dung lượng CDMA tăng đáng kể. Chú ý rằng một hệ thống AMPS đa bào (với hệ thống tái sử dụng tần số là 7), số người sử dụng ở mỗi tế bào giảm xuống từ 42 đến 6 người và giảm 126 đến 18 người trong TDMA 3 khe thời gian và khi đĩ hệ thống CDMA sẽ cĩ dung lượng tăng lên khi so sánh với những hệ thống này. Một phương pháp để cải thiện dung lượng CDMA là sử dụng điều chế phức tạp kết hợp với mã hĩa kênh để giảm Eb/N0 đến mức yêu cầu và tăng dung lượng như được chỉ ra ở phương trình (3.8). Một cách khác là giảm xuyên nhiễu để tăng dung lượng theo (3.6) và (3.7). Sau đây ta xét đến hiệu qủa của việc phát hiện tiếng nĩi tích cực và phân đoạn anten là 2 phương pháp giảm xuyên nhiễu trong hệ thống CDMA. a) Phân đoạn: Bất kì một sự phân cách về khơng gian của những khách hàng trong hệ thống CDMA đều chuyển thành tăng dung lượng hệ thống. Lấy ví dụ đơn giản là sử dụng anten định hướng cĩ độ rộng chùm hiệu qủa là 1200, mỗi anten yêu cầu giám sát 1/3 số máy di động trong một tế bào tương ứng. Khi đĩ nguồn nhiễu gây ra bởi bất kì một trong ba anten này là anten đẳng hướng. Điều này giảm số lượng nhiễu trong mẫu số ở (3.7) bởi hệ số 3 và dung lượng sẽ tăng lên 3 lần. Nếu gọi Ms là dung lượng trong mỗi đoạn và theo đĩ xuyên nhiễu bởi anten trong phân đoạn tỉ lệ với Ms. Dung lượng của mỗi tế bào xấp xỉ là M = 3.Ms. b) Phát hiện thoại tích cực: Sự phát hiện thoại tích cực là một tính năng được sử dụng trong các bộ mã hố thoại số mà trong đĩ việc truyền tín hiệu bị loại bỏ đối với người đang hoạt động khi mà khơng cĩ tiếng nĩi phát ra. Gọi hệ số thoại tích cực là a, a thường là 3/8 (tương ứng với chu kì hoạt động tiếng nĩi là 35 ¸ 40%). Lượng nhiễu ở mẫu số của (3.7) theo đĩ giảm từ (M-1) thành (M-1).a. Theo đĩ với VAD và phân đoạn, Eb/N0 trở thành: (3.10) Số người sử dụng đồng thời trên mỗi tế bào trở thành: (3.11) Với ví dụ trên thì dung lượng của hệ thống CDMA tính theo (3.11) là: (kênh/cell), (nếu bỏ qua tạp âm nền). Từ việc tính tốn ở trên ta thấy rằng số người sử dụng đồng thời trong tế bào ở hệ thống CDMA đơn bào tăng lên xấp xỉ 8 lần so với trường hợp khơng tính đến VAD và phân đoạn an ten. Như vậy cĩ thể thay đổi tỉ số Eb/N0 để dung lượng của hệ thống tăng từ 5 đến 6 lần. Những tính tốn ở trên chỉ áp dụng cho hệ thống đơn bào, ở đây ta chưa xét đến việc tái sử dụng tần số trong tất cả các tính tốn. Ưu điểm nổi bật của CDMA là việc sử dụng lại tần số như nhau ở tất cả các tế bào (khác so với TDMA và FDMA). Khi tính đến hệ số tái sử dụng tần số, dung lượng của hệ thống CDMA được tính trong mơi trường đa tế bào, trong trường hợp này sẽ xuất hiện thêm nhiễu của những người sử dụng (MAI hay MUI) ở các tế bào lân cận. 3.3.2 Tính tốn dung lượng của hệ thống CDMA đa bào 3.3.2.1 Dung lượng đường xuống của hệ thống CDMA đa bào Ở đường xuống máy thu tín hiệu chủ định của trạm di động ngồi tín hiệu thu mong muốn cịn thu được các tín hiệu nhiễu từ các trạm gốc của các cell khác. Để xét ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu này ta chỉ cần xét các trạm gốc cách trạm di động nằm ở biên giới cell của nĩ như ở hình (3.1). Hình 3.1 Nhiễu đường xuống hệ thống CDMA I I I I I I C Vị trí biên là trường hợp xấu nhất đối với C/I của cuộc gọi đang xét. Ở hình 3.1 trình bày 2 cell kề, 3 cell gần và 6 cell xa (khơng cĩ mũi tên). Ta xét tỉ số tín hiệu trên nhiễu cho 2 trường hợp: Khơng cĩ điều khiển cơng suất Cĩ điều khiển cơng suất a) Dung lượng đường xuống khi khơng cĩ điều khiển cơng suất Dung lượng vơ tuyến được tính từ tỉ số C/I của đường xuống. Khi khơng cĩ điều khiển cơng suất tỉ số tỉ số C/I thu được ở một trạm di động nằm trên ranh giới một cell khi xét đến nhiễu của 9 cell lân cận được tính như sau: (3.12) trong đĩ: n là số nguyên dương đặc trưng cho suy hao đường truyền, thường chọn n =4. là là hằng số đặc trưng cho suy hao đường truyền M là số kênh lưu lượng R là bán kính cell Tỉ số C/I quan hệ với tỉ số Eb/N0 ở băng tần cơ sở như sau: (3.13) với : Eb là năng lượng một bit N0 là tạp âm Gauss trắng cộng được quy đổi từ nhiễu Rb là tốc độ bit ở xử lí băng gốc Bt là tồn bộ băng tần của một kênh CDMA Nếu bỏ qua 1 ở phương trình (3.12) khi M lớn và kết hợp với (3.13) ta cĩ: (kênh/cell) (3.14) b) Dung lượng khi cĩ điều khiển cơng suất Ta cĩ thể tăng dung lượng đường xuống bằng cách sử dụng một sơ đồ điều khiển cơng suất phù hợp. Việc sử dụng sơ đồ điều khiển cơng suất cho từng cell ở đường xuống cĩ thể giảm nhiễu giao thoa đối với các kênh lân cận. Càng giảm nhiễu giao thoa ở một cell thì càng tăng được giá trị M. Nếu ta bổ qua nhiễu giao thoa từ các cell lân cận thì chỉ cịn nhiễu giao thoa giữa các kênh lưu lượng trong một cell, khi đĩ tỉ số C/I là: (3.15) Nếu bỏ qua 1 ở phương trình (3.15) khi M lớn và kết hợp với (3.13) ta cĩ: (3.16) So sánh với phương trình (3.14) ta thấy dung lượng tăng lên gấp 3,3 lần. * Tính tốn dung lượng khi xét đến nhiễu giao thoa giữa các cell Giả sử đường xuống tỉ lệ với khoảng cách từ trạm gốc đến trạm di động như sau: (3.17) là khoảng cách từ trạm gốc đến trạm di động j , R là bán kính cell, Pr là cơng suất thu được ở biên giới cell (cơng suất tối thiểu). Ở đây ta lấy n = 2 là tối ưu cho dung lượng. Giả sử M trạm di động sử dụng M kênh lưu lượng phân bố đồng đều trong cell như sau: Ml = k.r1 (3.18) trong đĩ k là hằng số, Ml là số máy di động ở cự li rl so với trạm gốc, Tổng cơng suất phát đi từ trạm gốc đến M trạm di động nằm trong số L nhĩm: (3.19) Nếu để rl biến đổi liên tục từ 0 đến R ta được phương trình trên như sau: (3.20) cĩ thể tính tổng số M trạm di động trong cell như sau: (3.21) Thay (3.21) vào (3.20) ta được: (3.22) Nếu khơng cĩ điều khiển cơng suất thì tồn bộ cơng suất Pr được cấp cho mọi kênh và: Pt = M.Pr (3.23) Như vậy tổng cơng suất phát đi từ trạm gốc đến các trạm di động sẽ giảm đi một nửa. Để xác định dung lượng ta tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở trạm di động nằm trên biên giới cell như sau: (3.24) khi đặt n =4 Sử dụng cơng thức thay vào (3.24) ta được: (3.25) So sánh với cơng thức (3.14) ta thấy nhờ cĩ điều khiển cơng suất ở đường xuống dung lượng CDMA tăng lên gấp 2 lần. Khi tính đến hệ số tái sử dụng tần số F ta tính được dung lượng của hệ thống: (3.26) * Tính tốn dung lượng khi xét đến điều chỉnh cơng suất cho trạm di động gần trạm gốc Nếu áp dụng cơng thức điều khiển cơng suất đường xuống theo biểu thức (3.20) thì khi trạm di động đến gần trạm gốc cĩ thể xảy ra rằng cơng suất phát từ trạm gốc cho trạm di động cho nĩ cĩ thể thấp đến lỗi tỉ số tín hiệu trên tạp âm khi này nhỏ hơn so với tỉ số tín hiệu trên tạp âm khi trạm di động nằm trên biên giới cell. Chính vì vậy cần phải điều chỉnh lại cơng suất phát từ trạm gốc cho trạm di động nằm gần nĩ để một khoảng cách gần trạm gốc (bằng hay nhỏ hơn r0 chẳng hạn) tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở máy di động vẫn bằng hoặc lớn hơn tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở máy di động vẫn bằng hoặc lớn hơn tỉ số tín hiệu trên tạp âm khi nĩ nằm ở biên giới cell. Nếu coi rằng trạm di động gần trạm gốc khơng bị nhiễu từ các cell khác thì ta cĩ thể tính tỉ số tín hiệu trên tạp âm cho trạm này như sau: (3.27) Tỷ số này phải lớn hơn hặc bằng tỉ số tín hiệu trên tạp âm khi trạm di dộng ở biên giới cell được tính theo phương trình (3.24) ta cĩ: (3.28) Từ bất phương trình trên ta rút ra được hệ số điều chỉnh cơng suất (r0/R)2 khơng thể nhỏ hơn 0,302 và r0= 0,55R. Nếu đặt mức cơng suất thấp nhất là 0,302.Pr thì tổng cơng suất thay đổi như sau: (3.29) Nếu với r0/R = 0,55 thì (r0/R)4 = 0,0913 và tổng cơng suất ở phương trình (3.28) phải được điều chỉnh như sau: (3.30) Phương trình (3.29) cho thấy rằng khi cơng suất thấp nhất của 1 kênh lưu lượng ở trạm gốc là 0,302Pr (khi trạm này phục vụ trạm di động nằm ở gần nĩ ở khoảng cách r1£r0 = 0,55R) thì tổng cơng suất ở gần trạm gốc này sẽ tăng 1,0913 lần so với phương trình (3.24). Khi điều chỉnh cơng suất so với phương trình (3.24) giá trị M ở phương trình (3.26) cũng giảm đi 1,0913 lần. Cĩ thể tăng dung lượng của hệ thống CDMA bằng cách sử dụng kĩ thuật phát hiện tiếng nĩi tích cực và phân đoạn cell, hãng Qualcom đã tính tốn dung lượng của hệ thống CDMA IS-95 theo phương trình sau: (3.31) với: M: số cuộc gọi cho mỗi tế bào : Thừa số tích cực tiếng nĩi F: hệ số tái sử dụng tần số. G: độ lợi phân đoạn Trong đĩ, đối với 1 hệ thống điều khiển cơng suất hồn hảo, F bằng tỉ số của nhiễu từ những trạm di động trong cùng tế bào với tổng xuyên nhiễu từ các tế bào khác. Hiển nhiên là cơng thức trên sẽ phụ thuộc hồn tồn vào số mũ suy hao đường truyền. Đối với phân bố các trạm khơng đồng đều, số mũ suy hao đường truyền càng cao sẽ cho kết quả xuyên nhiễu từ các tế bào khác càng nhỏ. Theo đĩ làm tăng hệ số tái sử dụng tần số. Chúng ta giả thiết rằng các trạm di động phân bố đồng bộ, truyền tín hiệu cơng suất tỉ lệ nghịch với khoảng cách D theo cơng thức D-y. Khi đĩ cơng suất được tính như sau: Như hình vẽ 3.2, nếu điều khiển cơng suất là hồn hảo thì cơng suất thu được ở vị trí trong tế bào là: P0 = (3.32) Pr là cơng suất tối thiểu Vì các bước điều khiển cơng suất hữu hạn , các trạm di động nằm giữa m2 vịng trịn đồng tâm cĩ cơng suất như nhau là C.D2 với C là hằng số. Khi đĩ cơng suất thu được từ khoảng cách r của trạm di động đến trạm gốc là: , bởi vậy cơng suất tổng cộng thu được từ những trạm di động nằm trong vùng khép kín giữa 2 vịng trịn đồng tâm là: (3.33) và ta cĩ: (3.34) D1 D2 r Trạm di động Hình 3.2 Mơ hình điều khiển cơng suất Trong đĩ D2/D1 cĩ thể viết theo số hạng PS (bước cơng suất : Power step) (3.35) thay biểu thức (3.35) vào (3.34) ta cĩ: (3.36) tỉ số P0/P khi y =4 được vẽ trên đồ thị hình 3.3 PS Hình 3.3 Mơ tả quan hệ giữa P0/P và PS Dung lượng của hệ thống với bước điều khiển cơng suất hữu hạn được cho bởi: (3.37) hoặc cĩ thể viết: (3.38) (3.39) Như vậy kết quả phương trình (3.39) này chỉ ra rằng hiệu ứng của một bước điểu khiển cơng suất làm tăng cĩ hiệu qủa. Cụ thể với y= 4 thì yăng 1/2 bước điều khiển cơng suất. 3.3.2.2Dung lượng đường lên của hệ thống CDMA a) Tính theo tỉ số C/I Ở CDMA tất cả các kênh lưu lượng dùng chung một kênh vơ tuyến. Vì thế tín hiệu mạnh thu được từ trạm di động gần sẽ che khuất tín hiệu yếu từ trạm di động nằm xa trạm gốc. Sơ đồ điều khiển cơng suất áp dụng cho đường lên sẽ giảm nhiễu giao thoa gây ra do hiện tượng gần xa nĩi trên. Nếu sơ đồ điều khiển cơng suất là lí tưởng thì tất cả các tín hiệu thu được ở trạm gốc từ tất cả các trạm di động trong ơ sẽ như nhau. Ở sơ đồ này, cơng suất phát đi từ một trạm di động j phải được điều chỉnh tuỳ theo khoảng cách của nĩ đến trạm gốc như sau: (3.40) trong đĩ: cơng suất phát được từ trạm di động j khoảng cách từ trạm di động này đến trạm gốc R: bán kính ơ n: số phụ thuộc vào đặc tính tổn hao đường truyền, thơng thường thì n được cho bằng 4. Nếu bỏ qua các nhiễu giao thoa từ các ơ lân cận thì tỉ số C/I nhận được từ trạm di động ở trạm gốc như sau: (3.41) nếu bỏ 1 ở (3.41) đi ta cĩ : (3.42) Khi xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa gây ra các người sử dụng từ các ơ khác thì ta cũng phải xét thêm thừa số tái sử dụng tần số F cho cơng thức (3.42). Các tính tốn cho thấy dung lượng đường lên cao hơn nhiều so với dung lượng đường xuống vì thế dung lượng CDMA được xác định từ dung lượng đường xuống. b) Tính theo cơng suất điều khiển Dung lượng tuyến lên theo số kênh lưu lượng cĩ thể được tính tốn đơn giản theo phương trình: (3.43) là cơng suất bức xạ tổng cộng trung bình, cụ thể là tổng cơng suất mào đầu (hoa tiêu) và cơng suất của tất cả những thuê bao. là cơng suất bức xạ trung bình từ các kênh hoa tiêu cụ thể như kênh chủ sĩng, kênh đồng bộ. kênh nhắn tin… cơng suất phát xạ trung bình của một thuê bao. c) Tính dung lượng đường lên dựa trên phân tích giới hạn tối thiểu Đối với đường lên, điều khiển cơng suất thực hiện theo kiểu phân phối cơng suất từ các máy phát cơng suất ở trung tâm tế bào theo yêu cầu của từng thuê bao riêng rẽ ở tế bào. Yêu cầu các trạm di động đo SNR tương quan của nĩ, là tỉ số của cơng suất ở máy phát chính trung tâm tế bào của nĩ với cơng suất tổng cộng thu được từ máy đĩ. Giả thiết rằng tại thời điểm đĩ tế bào ước lượng một cách chính xác , là cơng suất thu được từ trạm gốc ở chính tế bào của máy di động đĩ và tổng cơng suất thu được bởi các trạm di động (,,…là cơng suất thu được ở các trạm gốc lân cận). Chúng ta cĩ thể giới hạn tỉ số thấp hơn như sau: (3.44) b: là cơng suất tổng cộng của tế bào dành cho những trạm di động và fi là tỉ lệ của cơng suất dành cho trạm di động thứ i cho bởi: (3.45) Do cơng suất tế bào tương quan xác định theo fi: với i = 1,2,3…, Ns (3.46) Một giới hạn theo BER cĩ thể đạt được như sau: (3.47) ở đây d, được xác định theo Tĩm tắt kết quả tính tốn dung lượng của các phương pháp trên Đối với đánh giá suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách, phụ thuộc vào sự xa cách giữa các tế bào và fading hoặc vùng tối vốn cĩ trong các tế bào xem xét, tỉ số nhiễu cĩ thể ở khoảng 0.4 và 0,8. Dựa trên bộ mơ phỏng dung lượng CDMA sử dụng suy hao đường truyền n= 4 như là giá trị chuẩn. Khi số mũ suy hao đường truyền băng 2, dung lượng giảm 52%. Khi hệ số mũ suy hao đường truyền bằng 3, dung lượng giảm 82%. Số mũ suy hao càng lớn thì dung lượng càng cao. Bất kì tăng lên hệ số suy hao đường truyền giữa trạm di động và trạm gốc cĩ hiệu qủa rõ rệt trong việc giảm nhiễu và tối ưu dung lượng. Hiệu quả của việc điều khiển cơng suất cũng được mơ phỏng. Tỉ số xuyên nhiễu về cơ bản là khơng đổi với kết quả của những lượng bước điều khiển cơng suất. Nhiễu CDMA trung bình tăng hơn nhiễu nền một cánh nhảy vọt tương ứng với lượng bước điều khiển cơng suất tăng. Khi bậc điều khiển cơng suất là 5dB, hệ thống chia cho 15 trạm di động cĩ một tế bào. Theo đĩ dung lượng của hệ thống giảm khi lượng bước điều khiển cơng suất tăng. Dung lượng bị giảm 8% khi lượng bước điều khiển cơng suất là 1dB, khi lượng bước điều khiển là 4dB thì dung lượng giảm là 40%. Để đạt được dung lượng 90% của hệ thống điều khiển cơng suất , địi hỏi lượng bước điều khiển cơng suất nhỏ hơn 1dB. Để thuận tiện cho tính dung lượng của hệ thống CDMA chương trình tính dung lượng được xây dụng trên ngơn ngữ Visual Basic mơ tả như sau. Nội dung chương trình được trình bày trong phần phụ lục IV. 3.5 So sánh dung lượng vơ tuyến giữa FDMA, TDMA, CDMA 3.5.1 Mơi trường giới hạn theo tạp âm Trong mơi trường này khơng áp dụng kĩ thuật tái sử dụng tần số để phát triển hệ thống vì vậy chúng ta cĩ thể chứng minh gần đúng rằng FDMA, TDMA và CDMA tạo ra số kênh lưu lượng như nhau với cùng chất lượng thoại và do đĩ dung lượng của các hệ thống này là tương đương. Giả sử rằng, với băng tần truyền là Bt =1,23MHz dựa vào tỉ số C/I yêu cầu ta đi so sánh số kênh lưu lượng của ba hệ thống trên. Trong 3 hệ thống trên ta cĩ thể chia chúng thành 2 loại: Loại hệ thống cĩ C/I >1 Loại hệ thống cĩ C/I <1 Các hệ thống cĩ C/I >1 Các hệ thống FDMA và TDMA là các hệ thống cĩ C/I >1. Mơi trường giới hạn bởi tạp âm cũng cĩ thể được gọi là mơi trường chỉ cĩ nhiễu kênh lân cận, trong mơi trường này khơng cĩ can nhiễu cùng kênh. Can nhiễu kênh lân cận Ia ở ranh giới của ơ cĩ liên hệ với cả các kênh của ơ gần kề tại khoảng cách R với cùng một ơ và các kênh lân cận ở khoảng cách L từ một ơ khác là: (3.48) trong đĩ: ki , kj là các hằng số, p-1 là số kênh các ơ gần kề, q là số kênh lân cận, M=p+q là tổng số kênh. Bỏ qua khá nhỏ trong (3.48), ta cĩ: (3.49) với k là hằng số và L luơn lớn hơn hoặc bằng R. Tỉ số sĩng mang trên nhiễu C/Ia ở ranh giới ơ được tính bằng: (3.50) Số ơ Ka trong điều kiện khơng tái sử dụng tần số và coi cấu hình ơ là lục giác, ta cĩ: (3.51) Số kênh trong mỗi ơ với điều kiện khơng tái sử dụng tần số: m = (3.52) với Bc là độ rộng băng một kênh. Thay (3.50) vào (3.52) ta cĩ: m= kênh/cell (3.53) Từ cơng thức (5.53) ta cĩ thể tính được độ rộng băng mới với (C/Ia)/ tương ứng mà vẫn giữ nguyên số kênh trong mỗi ơ. Mối liên hệ đĩ theo hệ thức: (3.54) Cơng thức (3.54) cho phép tính độ rộng băng tần tương đương trong các hệ thống TDMA như GSM, PDC với (C/I)=18 dB Một cách tương đối người ta tính được số kênh của các hệ thống FDMA, TDMA gần bằng nhau nằm trong khoảng từ 100 đến 120 kênh. Các hệ thống (C/I) < 1 Các hệ thống CDMAlà các hệ thống cĩ (C/I) <1. Chất lượng thoại của CDMA phụ thuộc vào Eb/I0 , trong mơi trường giới hạn bởi tập âm Eb/I0 cĩ giá trị khoảng 5dB. Với C/I = 18 dB được tính theo hệ thức: (3.55) Đặt ()=5 dB, Bt = 1,23 MHz, tốc độ truyền Rb = 9,6 kbps thì từ(3.55) ta tính được: (3.56) Mặt khác ta đã tính được C/I tại ranh giới của một ơ ở biểu thức (3.15) là: (3.57) Ta sử dụng mơ hình ơ gồm 3secter để tính tốn, dung lượng của một ơ CDMA là: M=3=124,5 kênh (3.58) Bảng 3.2 Số kênh trong dải phổ 1,23MHz Hệ thức số Hệ thống Độ rộng kênh Số khe thời gian Dải thơng tương đương C/I (dB) Sốkênh 3.53 NA-TDMA 30 kHz 3 10 (kHz) 18 123 3.53 GSM 200 kHz 8 25(kHz) 11 3.54 11,3(kHz) 18 109 3.53 PCD 25 kHz 3 8,3(kHz) 20 3.53 10,4(kHz) 11 118 3.58 CDMA 1230 kHz N/A 1,23(MHz) N/A 124,5 3.5.2 Mơi trường giới hạn bởi nhiễu Trong mơi trường giới hạn bởi nhiễu CDMA cĩ dung lượng vượt trội hơn FDMA và TDMA. a) Trong các hệ thống C/I <1 – FDMA và TDMA Dung lượng trong các hệ thống FDMA và TDMA cĩ thể được tính theo hệ thức: m1= kênh/cell (3.59) trong đĩ hệ số tái sử dụng tần số K1 thay đổi liên quan đến C/I, được tính : K1= (3.60) Nhưng C/I liên quan đến D/R. Trong một hệ thống (SDM) tái sử dụng tần số, hệ thức tổng quát là: m1= (3.61) trong đĩ D/R được tính dựa vào C/I, tức là dựa vào chất lượng thoại hay chỉ tiêu lỗi được chấp nhận, với FDMA và TDMA C/I luơn lớn hơn 1. b) Trong các hệ thống C/I <1 – CDMA Dung lượng trong các hệ thống CDMA được tính: m2 = kênh/cell (3.62) trong đĩ đã biết K2 vì D=2R nên: K2 ==1,33 (3.63) Vì tổng số kênh lưu lượng M2 thay đổi theo C/I nên với một hệ thống ơ đẳng hướng là: (3.64) Trong trường hợp hệ thống ơ cĩ 3 vùng thì tổng số kênh lưu lượng M3 là: m3 = (3.65) c) Dung lượng của CDMA lớn hơn Trong các hệ thống FDMA hay TDMA tỉ số C/I của TDMA do vậy hệ thức (3.61) trở thành: m1= (3.66) Đối với hệ thống CDMA, hệ thức (3.62) trở thành: m2 = (3.67) Từ hệ thức (3.65) ta thấy : m3 =3m2 (3.68) Trong mơi trường giới hạn bởi tạp âm, số kênh lưu lượng ở cả 3 hệ thống là bằng nhau, cĩ nghĩa là tổng số kênh M1 và M3 của TDMA và CDMA là bằng nhau: M1 =M3 (3.69) Nếu coi nhiễu kênh lân cận Ia = 0 thì từ hệ thức (3.67) ta cĩ: m1 = (3.70) So sánh hệ thức (3.67) với (3.70) ta thấy rằng dung lượng của CDMA bị giảm do lấy một phần PG để giảm Ia trong khi đĩ dung lượng của TDMA bị giảm do thực hiện việc tái sử dụng tần số, hệ số tái sử dụng tần số K1 = Từ hệ thức (3.68) và (3.70) ta rút ra điều kiện để m3 >m1 là: >1 (3.71) Giả sử >>1thì : > (3.72) trong đĩ Is là can nhiễu nội của CDMA. Đối với TDMA hay FDMA hệ thống cĩ tính năng tốt nhất khi K1 = 3, do đĩ: Is >= 0,443.I (3.73) hay Ia < 55,7%.I Điều này cĩ nghĩa là dung lượng của CDMA luơn lớn hơn của TDMA hay FDMA trừ trường hợp nhiễu lân cận nhỏ hơn 55,7% nhiễu tổng. Điều này hầu như khơng xảy ra. *Kết luận: Trong chương này xem xét ảnh hưởng của việc điều khiển cơng suất đến dung lượng của hệ thống CDMA. Do sử dụng băng tần chung gây lên nhiễu đồng kênh đối với nhau, nên điều chỉnh cơng suất ở CDMA là cần thiết để đảm bảo tỉ số (Eb/N0) khơng đổi và lớn hơn mức ngưỡng và địi hỏi điều chỉnh cơng suất phải nhanh để dung lượng của hệ thống khơng bị giảm. Bảng 3.1 thể hiện số người sử dụng cực đại ở mỗi ơ khi cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất. Trên cơ sở cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất để đưa ra cơng thức tính dung lượng đường lên và đường xuống của hệ thống CDMA trong từng trường hợp cụ thể. Trong trường hợp cĩ điều khiển cơng suất dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể so với khi khơng cĩ điều khiển cơng suất. Đồng thời cũng đưa ra so sánh dung lượng của hệ thống CDAM với FDMA và TDMA để thấy được tính vượt trội về dung lượng của hệ thống CDMA. Lưu đồ tính dung lượng của hệ thống CDMA được viết trên ngơn ngữ Visual Basic nhằm dơn giản hố quá trình tính tốn phục vụ cho việc thiết kế hệ thống một cách hiệu quả. SƠ ĐỒ THUẬT TỐN TÍNH DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG CDMA Dung lượng Chưa sử dụng các biện pháp kĩ thuật CDMA đơn bào sử dụng các biện pháp kĩ thuật CDMA đa bào Dung lượng khi cĩ điều khiển cơng suất Tính dung lượng khi xét đến nhiễu giao thoa giữa các cell Tính dung lượng khi xét điều chỉnh CS cho trạm di động gần trạm gốc Khi khơng điều khiển CS (kênh/cell) Dung lượng đường xuống Khi cĩ điều khiển CS Dung lượng đường lên Tính theo tỉ số C/I Tính theo lượng điều khiển cơng suất KẾT LUẬN Qua thời gian đọc và nghiên cứu tài liệu, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Vũ Văn Quyết đến nay đồ án tốt nghiệp đã hồn thành cĩ chất lượng và thời gian theo yêu cầu đề ra. Do thời gian và trình độ bản thân cịn hạn chế nên nội dung của đồ án mới chỉ đi vào nghiên cứu những đặc trưng cơ bản của hệ thống thơng tin trải phổ và ứng dụng của nĩ trong thơng tin di động mà cơ bản là hệ thống DS/CDMA. Ngồi ra cịn cĩ rất nhiều các ứng dụng khác khơng được sử dụng trong thơng tin quân sự như thơng tin vệ tinh, DS/SS để xác định cự ly, hệ thống GPS để định vị và đạo hàng, hệ thống vơ tuyến đa truy nhập sử dụng FH/SS và DS ở ra đa xung chưa được đề cập đến trong nội dung của đồ án. Kết quả đồ án đạt được là: Chương I đã trình bày tổng quan về các kỹ thuật trải phổ trong đĩ đi sâu vào kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), đánh giá hiệu năng của hệ thống trong mơi trường cĩ nhiễu và tạp âm giao thoa cùng việc truyền sĩng đa tia. Đồng thời cũng chỉ ra được ưu nhược điểm của từng phương pháp làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật này trong các hệ thống thơng tin di động tế bào. Chương II tập trung vào nghiên cứu cơ sở của hệ thống thơng tin di động CDMA qua xem xét vấn đề giải điều chế và đưa ra cơng thức tính xác suất lỗi bit trong hệ thống CDMA, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các kênh fading nhiều tia, hiệu ứng Doppler đối với việc truyền tín hiệu trong hệ thống. Từ sự đánh giá đĩ đưa ra giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của fading tới dung lượng của hệ thống bằng cách sử dụng máy thu phân tập RAKE. Chương III đi vào tính dung lượng của hệ thống CDMA trên cơ sở bảo đảm được điều khiển cơng suất để chống lại hiệu ứng xa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từ đĩ đưa ra lưu đồ tính tốn dung lượng của hệ thống trong từng trường hợp cụ thể. Để thuận tiện cho việc tính tốn phục vụ cho cơng việc thiết kế hệ thống trong đồ án đã xây dựng chương trình tính dung lượng hệ thống bằng ngơn ngữ Visual Basic cho phép người sử dụng cĩ thể tính dung lượng trong từng trường hợp cụ thể với kết quả chính xác. Các hệ thống thơng tin di động tế bào hiện đang phát triển rất nhanh. Nhìn chung, xu thế phát triển của thơng tin di động trên thế giới theo xu hướng sẽ hoặc sử dụng cơng nghệ đa thâm nhập CDMA hoặc sử dụng cơng nghệ lai ghép mà chủ yếu là kết hợp giữa CDMA và TDMA. Một ứng dụng khác cũng đang được nghiên cứu và phát triển đĩ là cơng nghệ trải phổ CDMA được sử dụng cho các mạng đa truy nhập khơng phải vơ tuyến như mạng thơng tin đa thâm nhập quang. Một lần nữa tơi xin bày tỏ lịng cám ơn sâu sắc tới thầy giáo Vũ Văn quyết và các thầy cơ giáo trong Khoa Vơ Tuyến Điện Tử đã giúp đỡ tơi hồn thành nội dung của đồ án. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Phạm Anh “Lý thuyết trải phổ và ứng dụng” Học viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thơng. 2.Mai Liêm Trực “Cơng nghệ ATM và CDMA” Học viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thơng. 3. Thái Hồng Nhị, Phạm Minh Việt “Hệ thống viễn thơng” Nhà xuất bản Giáo dục 4. Bùi Minh Tiêu “Cơ sở lý thuyết truyền tin” Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp 5. Đặng Văn Chuyết “Cơ sở lý thuyết truyền tin” Nhà xuất bản Giáo dục-1998 6. Vũ Đức Thọ “Thơng tin di động” Nhà xuất bản Giáo dục -1997 7. Trần Hồng Quân, Nguyễn Bích Luân “Thơng tin di động” Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội -2001 8. Nguyễn Quốc Bình “Thơng tin di động” Học viện Kĩ thuật quân sự -2001 9. “Theory and applications of spread-spectrum systems” 10. Savo Glisic and Branka Vucetic “Spread Spectrum CDMA System For Wireless Communications”, Artech House, Inc. 11. Robert G. Gallager “Information theory and reliable communication”, John Wiley and sons, Inc.