Đồ án Tổng quan về thông tin di động

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. 1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Thông tin di động được ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ở băng tần 2MHz. Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz. Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2. Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, sử dụng phương pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tương ứng là sản phẩm thương nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng được ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nước khác nhau như: TACS, NMTS, NAMTS, C, ... Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn được nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trước hết là về dung lượng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tương thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng như mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bào phải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật tương tự hay kỹ thuật số. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số. Trước hết kỹ thuật số bảo đảm chất lượng cao hơn trong môi trường nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lượng lớn hơn. Sử dụng kỹ thuật số có ưu điểm sau: Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn. Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho người sử dụng. áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số. Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng làm tăng dung lượng của hệ thống. Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn. Có nhều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN. Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phương pháp số. Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính: GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC. Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn. Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990. Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện được. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều được gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị được vị trí chính xác của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây)... để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh... Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình... 1.2 Cấu hình của hệ thống thông tin di động Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy di động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động (MSC). Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ô tô (hay xách tay), BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động). Máy điện thoại di động (MS) bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển, BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn. MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng. Chúng bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuội gọi đã hoàn thành. Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận do đã được kết nối một cách đồng thời với các máy di động. Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống. Tổng đài tổ ong kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS. Tổng đài đầu cuối Đến các máy thu Máyphát Bộ điều khiển hệ thống Tới PSTN Hình 1.1: Sơ đồ kết nối trong hệ thống TTDĐ Với hệ thống này, do các máy phát thường có công suất lớn hơn nhiều (500W) so với các máy di động (25W). Và đương nhiên anten của máy di động thường ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát. Để cự ly thông tin của hệ thống được như nhau theo cả hai chiều, người ta thường dùng các trạm đầu xa chứa các máy thu. Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động và gửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý. Trong khi đó, đối với mạng tế bào người ta lại bố trí các máy thu/phát trong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ. Các máy thu/phát được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê bao có thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn được duy trì. Điều này cho phép tái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lượng lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trước đây. Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS được truyền đi qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC. MSC# 1 MSC# 2 Tới PSTN hoặc các mạng khác Tới PSTN hoặc các mạng khác Cell A Cell B . . . Tuyến kết nối Hình 1.2: Hệ thống thông tin di động tế bào điển hình. 1.3 Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động 1.4.1 Nguyên tắc chung Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, và có thể cho phép nhiều người cùng khai thác chung một tài nguyên trong cùng thời điểm, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập. Hiện nay có ba hình thức đa truy nhập khác nhau là: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được gán cho một tần số riêng. 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thường có độ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng. Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào. Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn. Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt. Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tương tự (Analog). 30 KHz kênh 1 Thoại analog 30 KHz kênh 832 . . . Thoại analog Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ: Hình 1.3: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ. Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng trong cùng thời gian thì nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới được. 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian. Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đó được gán cho một trong những khe thời gian này. Số lượng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đại lượng dải thông như vậy. TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và cuối cùng mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng của tín hiệu. Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 KHz dùng cho mạng tế bào hỗ trợ được ba kênh digital. Các đường truyền âm thanh analog của mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó chiếm một khe thời gian trong kênh analog 30 kHz. 30 kHz kênh 1 30 kHz kênh 832 . . . Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D Bộ biến đổi A/D (1) (2) (3) (4) (5) (6) Hình 1.4: Kỹ thuật TDMA 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang thông tin (ví dụ như tiếng nói) được biến đổi thành tín hiệu digital, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫu nhiên. Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên, khi đó được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ. Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử dụng đòi hỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz). Tuy nhiên theo tính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao lớn gấp khoảng 20 lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng như nhau . Hình vẽ dưới đây là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA. Dải thông tăng từ 30 KHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc đàm thoại. Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ bộ biến đổi A/D đúng như với TDMA. Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa là chèn một mã đặc biệt qua một bộ tạo mã. Sau đó tín hiệu được phát đi, trải rộng thêm 1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng trong dải này. Bộ biến đổi A/D Tạo mã Bộ biến đổi A/D Tạo mã (20) Bộ biến đổi A/D Tạo mã Bộ biến đổi A/D Tạo mã (20) 1,25 MHz kênh 1 1,25 MHz kênh 20 . . . (1) (1) . Hình 1.5: Kỹ thuật CDMA 1.4.5 So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong thông tin di động tế bào Trong FDMA mỗi một khe tần số được dành riêng cho một người sử dụng và người này sẽ dùng khe tần số này suốt quá trình cuộc gọi . Trong sơ đồ TDMA mỗi người dùng được cấp cho một khe thời gian trong quá trình gọi. Số lượng người dùng được quyết định bởi số lượng các khe thời gian hay tần số khác nhau có sẵn. Trong sơ đồ CDMA tất cả các người dùng phát đồng thời và trên một tần số. Tín hiệu được phát đi chiếm toàn bộ dải thông của hệ thống và các dãy mã được sử dụng để phân biệt người sử dụng này với người sử dụng kia. CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác. Nó có thể tính được phương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số. Các máy thu CDMA được thiết kế để tận dụng ưu điểm từ đặc tính nhiều đường liên quan đến fading chọn lọc tần số và để làm giảm tối thiểu ảnh hưởng của chúng đến dung lượng của hệ thống. Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA có được trong môi trường vô tuyến đa tế bào. Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công suất lớn được sử dụng để phủ sóng cho một vùng rộng lớn. Hệ thống này bị hạn chế khắt khe về mặt băng tần và không thể đáp ứng các dịch vụ di động. Trong hệ thống điện thoại di động tế bào, máy phát của trạm gốc đơn lẻ được thay thế bởi rất nhiều các trạm gốc có công suất nhỏ hơn, mỗi máy phát phủ sóng cho một vùng có dạng tổ ong, gọi là một tế bào. Trong các hệ thống FDMA hay TDMA mỗi tế bào được chia cho một phần tử của dãy tần số có sẵn. Dãy tần được dùng trong một tế bào có thể được sử dụng lại trong tế bào khác cách đó đủ xa sao cho tín hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu đến nhau. Số K tế bào sử dụng hết toàn bộ phổ tần có sẵn được gọi là cluster (cụm). Các cluster được bố trí như hình vẽ sau: G B C D F A E G B C D Giữ tới Tb+DN A E G B C D F A E G B C D F A E G B C D F A E Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tế bào Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng băng tần sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Nhiễu đồng kênh là một tham số giới hạn của hệ thống vô tuyến di động. Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong TDMA/FDMA và FM/FDMA gây ra nhiễu đồng kênh vì có cùng một dải tần được sử dụng lại ở một tế bào khác. Việc sử dụng các cluster 7 tế bào trong nhiều hệ thống vô tuyến di động là không đủ để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh. Có thể tăng K lớn hơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làm giảm số lượng các kênh trong một tế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống. Tương tự nếu giữ nguyên hệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào thành những vùng nhỏ hơn. Mỗi tế bào được chia thành ba hoặc sáu vùng nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten định hướng tương ứng tại trạm gốc phục vụ cho cả thu lẫn phát. Mỗi vùng nhỏ này sử dụng một dải tần riêng, khác với dải tần của các vùng kia. Thí dụ, nếu một tế bào được chia thành ba vùng nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉ một phần ba của nhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc. Sử dụng tế bào chia nhỏ thành ba vùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thể tăng thêm gấp ba lần trong cùng một cluster. Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống là tính tích cực của thoại. Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người chỉ nói khoảng 35% đến 40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại. Trong hệ thống CDMA tất cả những người sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô tuyến. Khi những người sử dụng trên kênh đang liên lạc không nói thì những người sử dụng đang đàm thoại khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiễu. Do vậy việc giám sát tính tích cực của tiếng nói làm giảm nhiễu đa truy nhập đến 65%. Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5. Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được phân chia tần số hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống cấp lại hai tài nguyên này cho hai người khác trong khoảng thời gian rất ngắn khi kênh ấn định yên lặng là không thực tế vì điều này yêu cầu phải chuyển mạch rất nhanh giữa những người sử dụng khác nhau. Trong FDMA và TDMA việc tổ chức tần số là yêu cầu khó khăn vì nó kiểm soát nhiễu đồng kênh. Trong hệ thống CDMA chỉ có một kênh chung nên không cần thực hiện tổ chức tần số. Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bào trong quá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm gốc sẽ yêu cầu chuyển giao (handover).Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một kênh mới khi cuộc gọi tiếp tục. Trong CDMA các tế bào khác nhau, khác nhau ở chỗ sử dụng các dãy mã khác nhau nhưng giống nhau là đều sử dụng cùng phổ tần. Do đó không cần phải thực hiện handover từ tần số này qua tần số khác. Chuyển giao như vậy được gọi là chuyển giao mềm (soft handover). Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng người dùng như trong FDMA và TDMA. Tuy vậy chất lượng hoạt động của hệ thống đối với tất cả những người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng người sử dụng cùng liên lạc tăng lên. Khi số người sử dụng tăng lên đến mức độ nào đó thì sẽ khiến cho nhiễu có thể làm cho tiếng nói trở nên khó hiểu và gây mất ổn định hệ thống. Tuy nhiên trong CDMA ta quan tâm đến điều kiện “phong toả mềm”, có thể giải toả được trái với điều kiện “phong toả cứng” như trong TDMA và FDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm. Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm. Hai nhược điểm nổi bật là: hiệu ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần. Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy mã không trực giao gây ra. Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di động truyền tin độc lập với nhau, tín hiệu của chúng không đến trạm gốc một cách cùng lúc. Do trễ thời gian của chúng là phân bố ngẫu nhiên nên sự tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng là khác không. Để nhận được nhiễu có mức thấp tất cả tín hiệu phải có tương quan chéo nhỏ và mọi trễ thời gian tương đối. Tương quan chéo giữa các ký tự có được bằng việc thiết kế một tập các dãy trực giao. Tuy nhiên không có một tập dãy mã nào được biết là hoàn toàn trực giao khi được dùng trong hệ thống không đồng bộ. Các thành phần không trực giao của tín hiệu của những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tín hiệu điều chế mong muốn. Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệ thống như vậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởi những người sử dụng khác. Điều này khác với trong các hệ thống TDMA và FDMA, trong các hệ thống này tính chất trực giao của tín hiệu thu được bị duy trì bằng việc chọn lọc và đồng bộ chính xác. Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần. Hiện tượng này xuất hiện khi một tín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị chèn ép bởi tín hiệu mạnh từ nguồn nhiễu đó. Tín hiệu nhiễu với công suất lớn hơn n lần công suất tín hiệu mong muốn sẽ tác dụng gần như là n tín hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu. Để khắc phục hiệu ứng xa gần trong hầu hết các ứng dụng CDMA người ta sử dụng các sơ đồ điều khiển công suất. Trong hệ thống tế bào điều khiển công suất được thực hiện bởi các trạm gốc, các trạm này định kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh công suất máy phát sao cho tất cả các tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức công suất là như nhau.  CHƯƠNG II KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 2. 1 Mở đầu Khái niệm trải phổ: là quá trình điều chế với mục đích phân bố năng lượng tín hiệu trên một băng tần rộng( rộng hơn nhiều so với tín hiệu chưa điều chế). Do hệ thống thông tin di động CDMA được xây dựng trên lý thuyết trải phổ nên việc tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ là rất cần thiết. Với một hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát. Việc sử dụng sẽ là không hiệu quả nếu chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS( Spread Spectrum – trải phổ). Nhưng với môi trường nhiều người sử dụng thì họ có thể sử dụng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần hiệu quả hơn. Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ nếu: tín hiệu phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết và trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu 2.2 Các hệ thống trải phổ 2.2.1 Hệ thống trải phổ DS Phương pháp trải phổ tín hiệu , sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu được gọi là kỹ thuật trải phổ trực tiếp ( Direct Sequence Spread Spectrum DS/SS ). Trong phương pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia quá trình điều chế còn trong các phương pháp khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia quá trình điều chế mà chỉ sử dụng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu. Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp là có dạng khá đơn giản không yêu cầu tính ổn định nhanh hay tốc độ tổng hợp tần số cao. Song nó có nhược điểm là băng trải phổ chỉ đến vài trăm Mhz, năng lượng phổ chỉ chiếm đến 90% trong dải chính của toàn bộ dải phổ và 99% nếu thêm 2 dải phụ thứ nhất. Dải phụ thứ 1 Dải phụ thứ 1 Dải chính -2RC -RC RC 2RC f S(f) [] Hình 2.1: Phổ của tín hiệu DS Công thức tính mật độ phổ công suất S(f) = 2 Trong đó: P: công suất phát Rc: tốc độ chíp mã f0: tần số sóng mang 2.2.1.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK Sóng mang Mã trải phổ ±1 Bộ điều chế dữ liệu C(t) S(t) Dữ liệu nhị phân d(t) Một trong những biện pháp đơn giản nhất của trải phổ trực tiếp là sử dụng phương pháp điều chế BPSK ( điều chế dịch pha nhị phân ). Mã trải phổ được sử dụng là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị ± 1 điều chế trực tiếp tín hiệu sóng mang đã được điều chế BPSK. Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía phát ) Giả sử tín hiệu sóng mang có dạng như sau: S(t) = A Cos w0t Trong đó A là biên độ của sóng mang w0 là tần số góc của sóng mang Gọi P là công suất sóng mang và Arms là biên độ hiệu dụng của sóng mang ta có: A = Arms và P = A2rms Do đó : A = Do đó sóng mang còn có thể viết dưới dạng: S (t) = Cosw0t Sau khi điều chế số dịch pha (PSK), tín hiệu dữ liệu sẽ được thể hiện thông qua pha của sóng mang. Sóng mang bây giờ có dạng: Sd(t) = Cos [w0t + qd (t)] ; 0 £ t £ TS với qd(t) là pha của sóng mang bị điều chế bởi dữ liệu TS : là thời gian tồn tại của 1 ký hiệu điều chế. Tiến hành trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t) có dạng xung NRZ. Đó là dãy mã nhận các giá trị ± 1 và có tốc độ chip lớn gấp nhiều lần tốc độ của dữ liệu. Tín hiệu sóng mang sau quá trình trải phổ được phát đi có dạng S T(t) = Cos [ w0t + qd (t) + qC (t)] qC(t) : góc pha của ST(t) phụ thuộc vào c(t) Nếu như cả c(t) và d(t) đều chỉ nhận các giá trị ± 1 thì ST(t) có thể được viết lại đơn giản như sau: ST (t) = d(t). c(t) Cosw0t Từ phương trình trên cho phép xây dựng mô hình hệ thống DS / BPSK phía phát một cách đơn giản hơn trong đó việc điều chế trải phổ được thực hiện đơn giản bằng bộ cộng modul 2 giữa d(t) và c(t). Bộ giải điều chế ở phía thu được thực hiện bằng sự tương quan giữa tín hiệu thu được R(t) và bản sao của mã trải phổ phía phát được tạo ra ở máy thu. Trong đó Td : Trễ truyền dẫn thực sự giữa máy phát và máy thu d : Đánh giá của máy thu đối với thời gian trễ Tín hiệu truyền tới máy thu là Với j là góc pha ngẫu nhiên j = [0 , 2p] d(t) Điều chế BPSK S(t) C(t) Lọc thông giải Giải điều chế BPSK C(t-d) d(t) Sd(t) Hình 2.3: Sơ đồ khối giải điều chế trải phổ trực tiếp BPSK ( phía thu ) ở đây để đơn giản ta bỏ qua một vài loại nhiễu hoặc tạp âm Gaussian Quá trình giải điều chế tín hiệu R(t) được thực hiện qua 2 bước - Bước 1: Thực hiện quá trình nén phổ. Quá trình này được thực hiện bằng việc nhân tín hiệu R(t) với mã giải trải phổ được tạo ra ở máy thu là c(t-d) . Sau bước này tín hiệu ra bộ cộng modul 2: R*(t) = c(t-Td). c(t-d). Cos[w0(t-Td) + qd(t-Td) + j] Nếu đạt được đồng bộ tốt thì d =Td và c (t-Td). c(t-d) = c(t-Td)2 = 1 Khi đó tín hiệu đi ra bộ lọc thông dải đã được giải trải phổ chỉ còn mang tín hiệu dữ liệu R*(t) = . Cos[w0(t-Td) + qd(t-Td) + j] Như vậy sau bước nén phổ ta thu được dữ liệu chỉ còn mang thông tin có dạng giống như tín hiệu Sd(t) ở phía phát song bị trễ đi một khoảng thời gian là Td. - Bước 2: Giải điều chế pha. Tín hiệu sau bộ lọc thông dải R*(t) được đi qua bộ giải điều chế BPSK để thu lại dữ liệu d(t). Sau đây ta sẽ xem xét phổ công suất sóng mang trong điều chế DS/BSK. PTb/2 -f0 0 1/Tb +f0 f a. Phổ tín hiệu trước khi trải phổ f PTc/2 1/Tc -f0 +f0 0 b. Phổ tín hiệu sau khi trải phổ Hình 2.4 Phổ công suất DS/BPSK Với P là công suất tín hiệu Mật độ phổ công suất sóng biên của sóng mang điều chế dịch pha được tính như sau: Sd(f) = Sd(t). exp(-iwt)dt = PTb{Sin2[(f-f0)Tb] + Sin2[(f+f0)Tb]} Với f0 = w0/ 2p : là tần số sóng mang dữ liệu ( tần số trung tâm băng tần dữ liệu ). Tb : thời gian bit dữ liệu. Mật độ phổ của sóng mang đã trải phổ cũng được tính tương tự ở đây Tc là thời gian chip mã trải phổ. Từ biểu thức tính mật độ phổ và đồ thị biểu diễn phổ công suất của tín hiệu trải phổ ta có nhận xét là: Phổ công suất của tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp gồm hai biên đối xứng, biên độ của hai biên bằng nhau và bằng PTC/2 bề rộng phổ mỗi bên bằng 2/TC. Như vậy tín hiệu sau trải phổ có độ rộng phổ tăng lên Tb/Tc lần và biên độ phổ giảm đi Tb/Tc lần. Mã trải phổ có tốc độ chip lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu nên Tc £ Tb vì vậy sau trải phổ tín hiệu có mật độ phổ giảm đi nhiều. Độ tăng ích của hệ thống: Độ tăng ích của hệ thống được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần trải phổ và tốc độ dữ liệu vào GP = WSS / Rb Wss : độ rộng băng trải phổ có giá trị xấp xỉ tốc độ chip của mã trải phổ Wss » Rc=1/Tc Rb : Tốc độ dữ liệu Rb=1/Tb GP = = = Tb càng lớn hơn Tc thì tức là độ tăng ích được xử lý càng tốt và chất lượng hệ thống trải phổ càng tốt. 2.2.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK Điều chế pha 4 mức (QPSK) sử dụng nguyên lý tổ hợp 2 bit thành một ký hiệu điều chế và được mô tả cùng một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng độ rộng băng truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế pha QPSK sẽ có tốc độ bit truyền dẫn đạt gấp đôi nếu dùng phương pháp BPSK. 4 tổ hợp của 2 bit nhị phân sẽ tương ứng với 4 trạng thái của sóng mang như sau: Tổ hợp bit Trạng thái pha 00 01 10 11 0 p/2 p 3p/2 Với cơ sở kỹ thuật điều chế tín hiệu số QPSK quen thuộc, ta xây dựng bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK như sau: Dữ liệu vào d(t) Sd(t) C1(t) C2(t) ST(t) I Q Cosw0t Cos[w0t+qd(t)] Sin[w0t+qd(t)] Bộ điều chế pha Bộ lai cầu phương å Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế trải phổ DS/QPSK Hoạt động của bộ điều chế như sau: đầu tiên dòng bit dữ liệu d(t) điều chế sóng mang s(t) = Cosw0t . Đầu ra của bộ điều chế pha là tín hiệu điều pha 4 trạng thái Sd(t) = Cos[w0t + qd(t)] 0 £ t £ Ts trong đó qd(t) là góc pha của sóng mang bị điều chế nhận các giá trị là 0, p/2, p , 3p/2 tuỳ theo cặp bit tương ứng. cosw0t sinw0t 01 10 00 11 Các vectơ tín hiệu được biểu diễn trong không gian tín hiệu như sau: Dữ liệu sau khi qua bộ điều chế pha được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song tạo ra 2 tín hiệu sóng mang được điều chế bởi dữ liệu trực giao với nhau trên 2 đường được gọi là kênh I ( kênh đồng pha ) và kênh Q ( kênh cầu phương ) Sóng mang trên kênh I là: SdI(t) = Cos[w0t + qd(t)] Sóng mang trên kênh Q là: SdQ(t) = Sin[w0t + qd(t)] ở đây tốc độ dữ liệu không thay đổi, chỉ có sóng mang được chia ra làm hai thành phần lệch pha nhau và có công suất bằng một nửa Sd(t). Sóng mang trên hai kênh đồng pha I và cầu phương Q sau đó được điều chế trải phổ với hai mã trải phổ là C1(t) và C2(t) tương tự như quá trình điều chế trải phổ BPSK Kết quả ta có hai tín hiệu trải phổ trên các kênh I và Q là : STI(t) = Cos[w0t + qd(t) + qC1(t)] STQ(t) = Sin[w0t + qd(t) + qC2(t)] Hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) là các dòng xung lưỡng cực, chỉ nhận các giá trị mức ±1 được đồng bộ chip và độc lập hoàn toàn nhau nên 2 tín hiệu đưa vào bộ cộng (S) là tương quan và tín hiệu đi ra bộ điều chế QPSK được viết như sau: ST(t) = STI(t) + STQ(t) = Cos[w0t + qd(t) + qC1(t)] + Sin[w0t + qd(t) + qC2(t)] hay ST(t) = C1(t). Cos[w0t + qd(t)] + C2(t). Sin[w0t + qd(t) ] Ta thấy hai thành phần của biểu thức tính ST(t) là như nhau chỉ khác về biên độ và góc dịch pha và cũng từ biểu thức tính ST(t) ta có thể tính được phổ công suất sóng mang điều chế QPSK thông qua việc tính phổ công suất của hai sóng mang điều chế BPSK thành phần. Bởi vì 2 thành phần STI(t) và STQ(t) là trực giao nhau nên phổ công suất của ST(t) bằng tổng đại số phổ công suất của STI(t) và STQ(t). Bộ giải điều chế trải phổ DS/QPSK có sơ đồ như sau: 2Cos[(w0 + wIF)t + j] 2Sin[(w0 + wIF)t + j] Tín hiệu thu ST(t-Td) C2(t-d) C1(t-d) X(t) Y(t) d(t) Bộ chia công suất Lọc thông dải Giải điều chế pha QPSK å Hình 2.6: Sơ đồ bộ giải điều chế QPSK Tín hiệu ở đầu vào bộ giải điều chế là ST(t-Td) = C1(t-Td). Cos[w0t + qd(t)] + C2(t-Td). Sin[w0t + qd(t) ] Sau bộ chia công suất, tín hiệu trên hai nhánh chỉ còn một nửa công suất của tín hiệu vào song có tần số không đổi. Nếu bỏ qua sự lệch pha ngẫu nhiên j , các thành phần X(t) và Y(t) được tính toán như sau: X(t) = C1(t-Td). C1(t-d). Cos[w0t + qd(t)]. 2Cos[(w0+ wIF)t] +C2(t-Td). C1(t-d).Sin[w0t + qd(t) ] . 2Cos[(w0+ wIF)t] X(t) = C1(t-Td).C1(t-d).{ Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } +C2(t-Td).C1(t-d).{Sin[2w0t+wIFt+qd(t)] + Sin[-wIFt +qd(t)] } Trong trường hợp lý tưởng, mã trải phổ phía thu được đồng bộ chính xác với mã trải phổ phía phát, nghĩa là d= Td do vậy C1(t-Td).C1(t-d) = C1(t-Td)2 = 1 Mặt khác hai mã trải phổ C1(t) và C2(t) trực giao nhau nên C2(t-Td).C1(t-d) = C2(t-Td).C1(t-Td) = 0 X(t) lúc này được viết lại như sau: X(t) = { Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } Bộ lọc thông dải BPF được điều chỉnh cộng hưởng tại tần số wIF và có độ rộng đủ lớn để cho sóng mang đi qua mà không bị biến dạng Tín hiệu X(t) tại lân cận tần số trung tâm wIF là X*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Tính toán tương tự cho Y(t), kết quả ta được Y(t) = { - Cos[2w0t+wIFt+qd(t)] + Cos[-wIFt +qd(t)] } Tại lân cận wIF ta cũng có Y*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Tín hiệu sau bộ lọc thông dải là: Z*(t) = X*(t) + Y*(t) = Cos[-wIFt +qd(t)] Từ công thức trên ta thấy sóng mang được điều chế bởi dữ liệu đã được phục hồi. Bây giờ cho Z*(t) đi qua bộ giải điều chế QPSK ta sẽ thu được dữ liệu d(t). Sau đây sẽ trình bày cấu trúc và hoạt động của hai bộ điều chế, giải điều chế QPSK: a.Bộ điều chế: Dãy bit dữ liệu d(t) qua bộ chuyển đổi nối tiếp song song được chia thành hai dãy, dI(t) gồm các bit chẵn và dQ(t) gồm các bít lẻ. Dòng bit dI(t) điều chế biên độ hàm cos với 2 giá trị là +1 và -1 tương đương với hai pha lệch nhau 1800 thể hiện bit 0,1.Tương tự dòng bit dQ(t) điều chế biên độ hàm sin ( lệch pha hàm cos là 900) cho ta hai trạng thái lệch pha nhau 1800 và lệch pha với dI(t) là 900 . Tổng hai tín hiệu này ở đầu ra là tín hiệu điều chế QPSK. dQ(t) ST(t) tín hiệu QPSK S Cosw0t d(t) dI(t) Bộ chuyển đổi nối tiếp song song 900 Hình 2.7: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu QPSK b. Khối giải điều chế: Hoạt động của bộ giải điều chế được trình bày trong hình 2.9 sau. Tín hiệu thu Dữ liệu ra Cosw0t Bộ chia công suất 900 Lọc Triger Lọc Triger Bộ chuyển nối tiếp song song Bộ khối phục tần số nhịp Hình 2.8: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK Do có đường bao không đổi nên trong tất cả các hệ thống PSK việc tách sóng phải được thực hiện nhờ một dao động chuẩn tại chỗ. Đối với hệ thống kiểu BPSK, dao động chuẩn được nhân với tín hiệu thu. Khi đó, nếu dao động chuẩn được nhân với dao động cùng pha sẽ tạo ra một tín hiệu ra dương biên độ cực đại, còn khi nhân với tín hiệu ngược pha sẽ tạo ra được tín hiệu ra âm biên độ cực đại. Như vậy hệ thống kiểu BPSK nhận được đặc tính của tín hiệu đối lập nếu tạo ra được một dao động chuẩn kết hợp tại chỗ. Khi tách sóng các tín hiệu điều chế bằng phương pháp BPSK, bộ tách sóng pha duy nhất chỉ ra giá trị pha của tín hiệu thu được nằm gần 00 hoặc 1800. Dấu của tín hiệu cosin ở đầu ra bộ lọc pha trực tiếp phản ánh thông tin tách ra được. Tuy nhiên ở hệ thống sử dụng phương pháp điều chế QPSK, thông tin nhận được từ bộ tách sóng pha duy nhất là không đầy đủ vì 2 nguyên nhân: + Cosqd(t) không chỉ ra qd(t) dương hay âm. + Biên độ tín hiệu ra bộ tách sóng pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu thu được cũng như với Cosqd(t) . Do đó từ biên độ của tín hiệu ra bộ tách sóng pha không thể tách ra được một thông tin nào khi không so sánh nó với biên độ tín hiệu thu được . Cả 2 vấn đề này giải quyết được nếu nhờ bộ trộn và lọc thứ hai do pha với một dao động chuẩn khác. Đúng như mong muốn, các đặc tính tốt nhất thu được trong trường hợp nếu như dao động chuẩn thứ hai trực giao với dao động chuẩn thứ nhất. Kết quả tách sóng pha ở 2 kênh I (cùng pha) và Q(cầu phương) được mô tả về mặt toán học như sau: SI(t)= thành phần tần số thấp của {cos[w0t + qd(t)].2 cosw0t}=cosqd(t) SQ(t)=thành phần tần số thấp của {cos[w0t + qd(t)].2 sinw0t}=sinqd(t) Bộ tách sóng pha thứ hai không những chỉ giải quyết tính chất không xác định giữa pha âm và pha dương, mà còn khắc phục được sự cần thiết trong việc chuẩn biên độ. Tất cả các cách giải quyết có thể dựa vào dấu của tín hiệu ở đầu ra của bộ tách sóng pha chứ không dựa vào biên độ . Có nhận xét sau: bit đầu tiên trong 2 bit bằng 0 nếu góc pha là dương (00 hoặc p/2) và bằng 1 trong trường hợp ngược lại, do đó bit đầu tiên của tín hiệu số hoàn toàn được xác định nhờ vào cực của sinqd(t) tức là tín hiệu ra của bộ tách sóng pha thứ hai (kênh cầu phương). Tương tự bit thứ hai của tín hiệu bằng 1 nếu pha p/2 hoặc p , điều đó cho thấy rằng dấu của tín hiệu ra bộ tách sóng pha thứ nhất (kênh cùng pha) chứa đựng thông tin cần thiết xác định bit thứ hai. Trên đây ta đã trình bày hai phương pháp trải phổ trực tiếp BPSK và QPSK. Ngoài ra còn có những phương pháp là kết hợp của hai phương pháp trên , nhưng đều không phổ biến vì vậy không được trình bày trong đồ án này. 2..2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FH Nếu trải phổ dãy trực tiếp là điều chế trực tiếp tín hiệu số vào mã trải phổ, thì trải phổ nhẩy tần là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ (sóng mang có tần số thay đổi theo mã trải phổ sẽ được điều chế với tín hiệu thông tin cần truyền) Nói chính xác thì điều chế FH là “sự chuyển dịch tần số của nhiều tần số được chọn theo mã”. Nó gần giống FSK ngoài việc dải chọn lọc tần số tăng lên. FSK đơn giản sử dụng 2 tần số và phát tín hiệu là f1 khi có ký hiệu và phát f2 khi không có ký hiệu. Mặt khác thì FH có thể sử dụng vài nghìn tần số. Trong các hệ thống thực tế thì sự chọn lọc ngẫu nhiên trong 220 tần số được phân bố có thể được chọn nhờ sự tổ hợp mã theo mỗi thông tin chuyển dịch tần số. Trong FH khoảng dịch giữa các tần số và số lượng các tần số có thể chọn được được xác định phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt. Như vậy trong hệ thống dịch tần FH, tần số sóng mang thay đổi theo chu kỳ. Cứ sau một khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhẩy tới một giá trị khác. Quy luật nhẩy tần do mã trải phổ quyết định. Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS và FH là khác nhau. Hệ thống DS chiếm dụng toàn bộ băng tần khi nó truyền dẫn trong khi hệ thống FH chỉ sử dụng một phần nhỏ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn. Như vậy, công suất mà hai hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bình là như nhau. Hệ thống FH cơ bản gồm có bộ tạo mã và bộ tổ hợp tần số, bộ phát mã PN điều khiển bộ tỏng hợp tần số phải nhảy tần theo qui luật của nó. Hệ thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiên giữa các tần số vô tuyến f1,f2,…,fn với n có thể lên tới con số hàng nghìn. Nếu tốc độ nhảy tần (Tốc độ chíp ) lớn hơn tốc độ bít dữ liệu thì được gọi là nhảy tần nhanh FFH (Fast Frequency Hopping), khi đó sẽ có nhiều tần số được truyền đi trong thời gian một bít. Còn ngược lại tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit (nhiều bit tin được truyền đi trong một tần số ) thì được gọi là nhảy tần chậm SFH (Slow Frequency Hopping ). Gọi Df = fi – fi-1 là chênh lệch tần số giữa hai tần số kề nhau còn N là số tần số nhảy tần có thể chọn thì tăng ích xử lý hệ thống trải phổ nhảy tần FH là: (Giả thiết dải thông dữ liệu băng gốc Bd=1 bước nhảy tần nhỏ nhất Df) Phổ FH lý tưởng trong một chu kỳ có dạng hình vuông hoàn toàn và phân bố đồng đều trong các kênh tần số truyền dẫn. Các máy phát trong thực tế cần phải được thiết kế sao cho công suất phân bố đồng đều trong tất cả các kênh. Điều chế FH Điều chế MFSK K bit dữ liệu K bit PN Nguồn nhiễu Mã hoá 1 Giải điều chế FH K bit PN 2 M Giảimã hoá M bộ tách năng lượng Hình 2.9 Hệ thống FH Nguyên lý trải phổ nhảy tần như sau: Một đoạn k chíp của mã giả ngẫu nhiên điều khiển bộ tổng hợp tần số, để tần số sống mang nhảy lên một trong 2k tần số khác nhau. Nếu xét trong một tần số nhảy thì độ rộng băng tần tín hiệu bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK và rất nhỏ so với độ rộng của tín hiệu trải phổ nhảy tần. Với bộ giải điều chế không liên kết, để đảm bảo tính trực giao thì khoảng cách về tần số giữa các tone MFSK phải bằng bội số nguyên lần của tốc độ chip (Rp). Điều này đảm bảo cho một mẫu phát đi không ảnh hưởng xuyên âm tới các bộ tách khác. Dải băng tần tín hiệu nhảy tần được chia đều thành Nt phần bằng nhau: Nt = Wss/Rp Sau đó Nt phần này lại được chia thành Nb nhóm riêng biệt: Nb = Nt/M Mỗi nhóm này sẽ có độ rộng băng tần là Wd = Wss/Nb. Theo cách xắp xếp này, đoạn mã nhị phân k bit của chuỗi PN sẽ xác định Nb = 2K tần số sóng mang khác nhau. Trong khi đó, mỗi tone nhảy tần là cố định và nằm trong khoảng M tần số xác định tương đối. a.Nhảy tần nhanh Hình vẽ sau mô tả phổ của tín hiệu MFSK và phổ tín hiệu nhảy tần nhanh theo thời gian. Chuỗi mã giả ngẫu nhiên thực hiện trải phổ là một chuỗi mã được tạo ra từ bộ tạo mã giả nhiễu dùng bộ 4 thanh ghi dịch. Mã trải phổ có tốc độ bit gấp 4 lần tóc độ dữ liệu (Rp = Rh = 4Rs) tức là k = 4. Hệ thống thực hiện trải phổ nhảy tần nhanh với tín hiệu MFSK 4 mức lên ngẫu nhiên một trong 4 dải tần số, dưới sự điều khiển của tín hiệu giả ngẫu nhiên PN. Do tín hiệu MFSK điều chế 4 mức nên cứ 2 bit dữ liệu xác định một giá trị nằm 1 trong 4 mức có thể của dải tần số và một tone này được phát đi trong khoảng thời gian bằng 2 lần chu kỳ bit dữ liệu. Cũng tương tự như vậy, cứ một cặp 2 bit giả ngẫu nhiên cho phép ta xác định được một trong 4 dải băng tần mà một tone tín hiệu MFSK cần nhảy tới. Trong trường hợp này độ rộng băng tần của tín hiệu nhảy tần sẽ lớn gấp 4 lần độ rộng băng tần tín hiệu MFSK nguyên thuỷ (Wss=4Wd). WSS 11 10 01 00 Wd 01 00 11 01 01 11 11 00 10 01 10 10 01 11 10 00 11 11 00 01 00 10 01 10 00 11 01 01 11 10 Hình 2.10 Nhảy tần nhanh Dữ liệu 2Tb Chuỗi PN b. Nhảy tần chậm Trong phép nhảy tần này ta cũng dùng chuỗi giả ngẫu nhiên như đã dùng trong ví dụ nhảy tần nhanh trên. Khác với trường hợp nhảy tần nhanh, trong hệ thống nhảy tần chậm thì tốc độ chuỗi tín hiệu trải phổ thấp hơn so với tốc độ dòng dữ liệu và khi đó tốc độ chip bằng tốc độ dòng dữ liệu. Trong ví dụ này Rp = Rb = 6Rh. Tín hiệu MFSK được điều chế bởi dữ liệu theo 4 mức tức là cứ 2 bit dữ liệu xác định 1 tone phát đi trong khoảng thơì gian bằng 2 lần chu kỳ dòng bit dữ liệu. Với bước điều chế nhảy tần. Cứ 3 bit giả ngẫu nhiên xác định một trong 8 băng tần mà tín hiệu MFSK sẽ nhảy tới (k = 3). Như vậy băng tần của tín hiệu trải phổ nhảy tần sẽ lớn gấp 8 lần băng tần tín hiệu MFSK ban đầu WSS 101 01 11 00 11 11 01 10 00 00 01 Hình 2.11 Nhảy tần chậm Dữ liệu 2Tb Wd Chuỗi PN 111 000 100 110 3Tc 111 110 101 100 011 010 001 000 Hình vẽ dưới đây mô tả phổ tín hiệu trải phổ nhảy tần chậm theo thời gian. c. Hệ thống giải điều chế nhảy tần Quá trình thực hiện giải điều chế tín hiệu trải phổ nhảy tần được thực hiện ngược lại so với quá trình trải phổ và cũng được thực hiện qua 2 bước. Bước thứ nhất là thực hiện nén phổ tín hiệu nhảy tần để thu lại được tín hiệu điều chế tần số MFSK. Bước thứ hai là khôi phục lại dữ liệu từ tín hiệu MFSK bằng bộ giải điều chế MFSK thông thường. Nén phổ tín hiệu nhảy tần: Giả sử tại đầu thu đã tạo lại đực tín hiệu trải phổ giả nhiễu đồng bộ với bên phát. Khi đó tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp tần số tại bên thu cũng nhảy giống hệt như bên phát. tín hiệu nhảy tần thu được sẽ trộn với tín hiệu tổng hợp tại chỗ này và khi qua bộ lọc băng tần bằng độ rộng băng tần tín hiệu MFSK ta sẽ thu lại được tín hiệu chứa dữ liệu MFSK. Như vậy một điều hết sức quan trọng đảm bảo sự thành công của bước nén phổ này là bên thu cần taọ được mã giả ngẫu nhiên đồng bộ hoàn toàn với bên phát. Giải điều chế tín hiệu MFSK: Lọc 1 Lọc 2 Lọc M Mạch tách đường bao 1 Mạch tách đường bao 2 Mạch tách đường bao M Bộ so sánh lấy giá trị lớn nhất và giải mã Tín hiệu sau giải điều chế nhảy tần Dữ liệu Hình 2.12 Giải điều chế tín hiệu MFSK Tín hiệu sau khi nén phổ là tín hiệu dịch tần M mức (MFSK) chứa dữ liệu. Để thực hiện giải điều chế tín hiệu này người ta hay sử dụng M bộ lọc thông dải và M bộ tách sóng đường bao. Đầu ra của bộ lọc thứ i và bộ tách thứ i sẽ khác 0 khi tín hiệu dữ liệu được điều chế ở mức i. Còn lại M-1 đầu ra còn lại sẽ có giá trị bằng 0. Tuy nhiên trong thực tế, do ảnh hưởng của nhiễu đầu ra thứ i không có giá trị cực đại tối đa và M-1 đầu ra còn lại cũng không bằng 0 nên cần sử dụng bộ so sánh để chọn giá trị lớn nhất trong M đầu ra này. Dữ liệu M mức đầu ra được đưa tới bộ giải điều chế để tái tạo lại tín hiệu dữ liệu nhị phân ban đầu 2.2.3 Hệ thống dịch thời gian Dịch thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH thì sự dịch chuyển tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH. Hình 2.13 là sơ đồ khối của hệ thống TH. Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH. TH có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát. Mã hoá nên được sử dụng một cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác. Do hệ thống TH có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn. Hình 2.13: Hệ thống TH đơn giản 2.2.3 Hệ thống lai HYBRID Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ thống. Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm (1) FH/DS, (2) TH/FH, (3) TH/DS. Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống không thể có được. Một mạch không cần phức tạp lắm có thể bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước. a.FH/DS Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển dịch một cách định kỳ. Phổ tần số của bộ điều chế được minh hoạ trên hình 2.10. Một tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH. Hệ thống tổng hợp FH/DS được sử dụng vì các lý do sau đây: 1. Dung lượng trải phổ2. Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán.3. Ghép kênh Hình 2.14: Phổ tần số của hệ thống tổng hợp FH/DS Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị cực đại và giá trị giới hạn của kênh FH. Ví dụ, trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu cầu một bộ toạ mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136 Mc/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộn tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5 KHz. Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu một bộ tạo mã tức thời 114 Mc/s và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số. Bộ phát tổng hợp FH/DS như trên hình 2.14 thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế) không giống như bộ điều chế DS đơn giản. Nghĩa là, có một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS. Hình 2.15: Bộ điều chế tổng hợp FH/DS Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu mã FH/DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã cho được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh tần số nhất định. Nhìn chung thì tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ dịch tần. Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài mã sẽ được sử dụng nhiều lần. Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã. Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu; bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được. Hình 2.15 miêu tả một bộ thu FH/DS điển hình. Bộ tạo tín hiệu dao động nội trong bộ tương quan giống như bộ điều chế phát trừ 2 điểm sau:1. Tần số trung tâm của tín hiệu dao động nội được cố định bằng độ lệch tần số trung gian (IF).2. Mã DS không bị biến đổi với đầu vào băng gốc. Hình 2.16: Bộ thu tổng hợp FH/DS Giá trị độ lợi sử lý dB của hệ thống tổng hợp FH/DS có thể được tính bằng tổng của độ lợi sử lý của hai loại điều chế trải phổ đó. Gp(FH/DS) = Gp(FH) + Gp(DS) = 10log (số lượng các kênh) + 10log (BWDS/Rinfo) Do đó, giới hạn giao thoa trở nên lớn hơn so với hệ thống FH hoặc hệ thống DS đơn giản. b. TH/FH Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm. Với số lượng việc xác định địa chỉ là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt. Khuynh hướng chung là tạo ra một hệ thống chuyển mạch điện thoại vô tuyến có thể chấp nhận các hoạt động cơ bản của hệ thống như là sự truy nhập ngẫu nhiên hoặc sự định vị các địa chỉ phân tán. Đó cũng là một hệ thống có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến khoảng cách. Như trên hình 2.17 ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định và máy phát ở đường thông khác hoạt động như là một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập. Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra nhiều vấn đề. Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ. Hình 2.17: Hệ thống thông tin 2 đườngvới các vấn đề liên quan đến khoảng cách Do ảnh hưởng của khoảng cách gây ra cho tín hiệu thu không thể loại trừ được chỉ với việc sử lý tín hiệu đơn giản mà một khoảng thời gian truyền dẫn nhất định nên được xác định để tránh hiện tượng chồng lấn các tín hiệu tại một thời điểm. c.TH/DS Nếu phương pháp ghép kênh theo mã không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu. Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối với sự tương quan mã giữa các đầu cuối của hệ thống DS, hệ thống TH được giải quyết cho trường hợp này. Nghĩa là, đầu cuối thu của hệ thống DS nên có một thời gian chính xác để kích hoạt TDM, để đồng bộ chính xác mã tạo ra tại chỗ trong thời gian chip của mã PN. Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng/mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH-TDM vào hệ thống DS. Trong trường hợp này thì kết cuối đóng/mở chuyển mạch có thể được trích ra một cách dễ dàng từ bộ tạo mã sử dụng để tạo ra các mã trải phổ và hơn nữa thiết bị điều khiển đóng/mở được sử dụng để tách các trạng thái ghi dịch cấu thành bộ tạo mã và dựa trên các kết quả, số lượng n cổng được sử dụng để kích hoạt bộ phát có thể được thiết lập một cách đơn giản. Hình 2.18 minh hoạ bộ phát và bộ thu TH/DS. Bộ thu rất giống như bộ phát ngoại trừ phần phía trước và một phần của bộ tạo tín hiệu điều khiển được sử dụng để kích hoạt trạng thái đóng/mở của tín hiệu để nó truyền đi. Điều đó nhận được nhờ chọn trạng thái bộ ghi dịch sao cho bộ ghi dịch này được tạo một cách lặp lại trong quá trình chọn mã đối với điều khiển thời gian. Trong bộ tạo mã dài nhất bậc n thì điều kiện thứ nhất tồn tại và điều này được lặp lại với chu kỳ là m. Khi chọn bậc (n-r) và tách tất cả các trạng thái của nó thì bộ tạo mã có tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên phân bố dài gấp hai lần chu kỳ mã. Như ở trên thì n biểu thị độ dài bộ ghi dịch và r nghĩa là bậc ghi dịch không tách được Cũng vậy, việc tạo đầu ra và chu kỳ tạo trung bình có khoảng cách giả ngẫu nhiên có thể được chọn nhờ mã trong chu kỳ giả ngẫu nhiên. Loại phân chia thực hiện trong quá trình chu kỳ giả ngẫu nhiên này có thể có nhiều người sử dụng kênh để có nhiều truy nhập và có chức năng tiến bộ hơn so với giao diện ghép kênh theo mã đơn giản. Hình 2.18 Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS 2.3 Dãy mã giả tạp âm 2.3.1 Nguyên lý Mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN cần được tạo ra một cách độc lập ở nhiều vị trí (ví dụ giữa máy thu và máy phát, đó là các bản sao của nhau), cho nên mã trải phổ không thể hoàn toàn ngẫu nhiên, nó cần phải xác định được, nó là tín hiệu có chu kỳ xác định, có thể tính được một cách chính xác ở cả phía phát lẫn phía thu. Nhưng mặt khác, PN có các tính chất thống kê của tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise - Tạp âm Gauss phổ đều cộng vào tín hiệu ), nó có biểu hiện ngẫu nhiên, bất xác định, nghĩa là không thể thu và hiểu được đối với bất kỳ máy thu nào không thuộc phạm vi cuộc liên lạc. Như vậy mã trải phổ là dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (giả tạp âm trắng) được tạo ra đồng bộ để trải phổ ở máy phát và nén phổ tương ứng ở máy thu đối với phổ dữ liệu được truyền. Mã trải phổ còn được dùng để phân biệt các thuê bao khác nhau khi họ có cùng dải thông truyền dẫn trong cơ chế đa truy nhập CDMA. Hàm tự tương quan Ra() = Hàm tự tương quan biểu thị sự giống nha giữa tín hiệu với bản sao của nó bị trễ . Hàm tự tương quan chéo Rc = Như ta đã nói, mã trải phổ không những để trải phổ mà còn là chìa khoá để MS chọn ra tín hiệu trạm gốc phát cho nó trong môi trường CDMA (cùng dùng chung tần số). Muốn vậy, mã trải phổ của các MS khác nhau có tương quan chéo bằng 0, hoặc rất nhỏ. Điều kiện này đảm bảo nhiễu lẫn nhau cũng nhỏ. Lý thuyết đã cho biết rằng các tín hiệu trải phổ trực giao bảo đảm tương quan chéo bằng 0. Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tế các bộ phát tương quan dãy PN ở cả máy phát và máy thu được dùng với tương quan chéo đủ nhỏ. Các dãy PN thường dùng nhất là: dãy độ dài cực đại (dãy m), dãy Gold, dãy Walsh. 2.3.2 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu không xác định được chính xác sự biến đổi tiếp theo của tín hiệu, mà chỉ có thể miêu tả bằng phương pháp thống kê. Khác với tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu giả ngẫu nhiên không hoàn toàn ngẫu nhiên. Nó là tín hiệu có chu kỳ xác định và có thể dự đoán trước cả ở phía thu và phía phát. Tuy nhiên, mặc dù là tín hiệu xác định, nhưng sự xuất hiện của nó lại có tính chất thống kê của tạp âm trắng. Với các đối tượng trái phép, sự xuất hiện của nó thực sự là ngẫu nhiên. Theo lý thuyết xác suất, Bernoulli chứng minh rằng một dãy nhị phân độc lập được coi là một dãy ngẫu nhiên khi nó đảm bảo 3 tính chất. Đó là: 2.3.2.1. Tính cân đối Trong mỗi chu kỳ của dãy, số con số 1 nhị phân và con số 0 khác nhau nhiều nhất là 1. 2.3.2.2 Tính chạy Một bước chạy được định nghĩa là dãy các bit cùng loại. Sự xuất hiện của một bit khác loại xem như bắt đầu một bước chạy mới. Độ dài của bước chạy là số bit trong bước chạy. Trong số bước chạy của một chu kỳ, để thoả mãn tính chạy, cần có 1/2 bước chạy có độ dài là một, 1/4 độ dài là 2, 1/8 độ dài là 3,... Tổng quát 1/2r là độ dài r. Với r n-1 và 1/2n-1 với r = n, trong đó n là số phần tử nhớ của bộ ghi dịch. 2.3.2.3 Tính tương quan Nếu so sánh từng bit trong một chu kỳ của dãy mã với bit tương ứng cùng vị trí của dãy mã đó nhưng được dịch đi một vị trí bất kỳ thì để đảm bảo tính tương quan, số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp nhau trênh lệch nhau không quá một. 2.3.3. Dãy ghi dịch Dãy ghi dịch ( dãy m - dãy có độ dài cực đại ) có sơ đồ như hình 6 . Trong sơ đồ này, có N flip flop D, được mắc thành bộ ghi dịch, mạch hồi tiếp gồm các cổng XOR và các khoá gi . Sự lựa chọn giá trị N và các trạng thái nối thông hay hở mạch của gi làm cho thay đổi chiều dài và các đặc tính của dãy PN được tạo ra. Trong số đó, dãy có chiều dài là L = 2N - 1(L là số chip (cắt) và N là số flip flop D). Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi dãy các xung nhịp. Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch sang phần tử nhớ bên phải. 0 1 N N-2 N-1 g0 g1 gN-2 gN-1 gN D0 Q0 Q1 QN-2 QN-1 QN b(D) Hình 2.1 9. Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính (qua XOR) phát ra dãy m. Dưới đây là bảng giới thiệu số liệu về mạch hình 2.19. Số flip flop N Chiều dài dãy L = 2N - 1 Sốdãy S Hàm D0 Của dãy m 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 7 15 31 63 127 255 511 1023 2047 4095 8191 16383 32767 2 2 6 6 18 16 48 60 176 144 630 756 1800 Q1Q2 Q2Q3 Q2Q4 Q4Q5 Q5Q6 Q1Q2Q3Q7 Q4Q8 Q6Q9 Q8Q10 Q1Q9Q10Q11 Q0Q10Q11Q12 Q1Q11Q12Q13Q14 Một số dặc trưng của mã trải phổ dãy m: Tính cân đối: dãy một có 2N-1 - 1 số 0 và 2N-1 số 1 trong chu kỳ L. Tính dịch và cộng: Nếu cộng module 2 một dãy m tạo ra do chính nó đã dịch đi, thì được một dãy m dịch đi so với 2 dãy được cộng. Tính tự tương quan chu kỳ: nếu ta thay logic 0 của dãym bằng +1 và thay logic 1 của dãy m bằng -1, thì hàm tự tương quan chu kỳ là: Tính chạy: Một bước chạy là dãy các bit liên tiếp có cùng mức logic, độ dài của các bước chạy là số bit trong các bước chạy đó. Trong 1 chu kỳ của dãy m có 1/21 số bước chạy có độ dài bằng 1, 1/22 số bước chạy có độ dài bằng 2 và 1/23 số bước chạy có độ dài bằng 3 .... Ví dụ: Với mạch nguyên lý hình 17, ta thiết kế một dãy ghi dịch với 4 phần tử nhớ như sau: 0 1 3 2 Dãy mã ra Hình 2.20: Dãy ghi dịch 4 phần tử nhớ Hoạt động của bộ ghi dịch được điều khiển bởi các dãy xung nhịp. Khi một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi phần tử nhớ của bộ ghi dịch được dịch một bit. Giả sử trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch là 1000. Khi đó trạng thái kế tiếp của thanh ghi sẽ là: 1000 0100 0010 1001 1100 0110 1011 0101 1010 1101 1110 1111 0111 0011 0001 1000 ..... Trạng thái cuối 1000 trùng với trạng thái ban đầu, tức là thanh ghi lặp lại sau 15 xung nhịp. Khi đó đầu ra bộ ghi dịch là: 000100110101111. Ta có thể chứng minh đây là một dãy mã giả tạp âm bằng cách kiểm tra 3 tính chất ngẫu nhiên của Bernoulli như sau: Tính cân đối: Số chữ số 0: N0 = 7. Số chữ số 1: N1 = 8. N1 - N0 = 1 , tức là thoả mãn tính cân đối. Tính chạy: Số bước chạy có độ dài là 1: R1 = 4. Số bước chạy có độ dài là 2: R2 = 2. Số bước chạy có độ dài là 3: R3 = 1. Số bước chạy có độ dài là 4: R4 = 1. Tức là thoả mãn tính chạy. Ta có bảng sau: Bước chạy Tỷ số Ri/R R1 4 1/2 R2 2 1/4 = 1/22 R3 1 1/8 = 1/23 R4 1 1/8 = 1/24-1 Tổng số (R) 8 Tính tương quan: Giả sử cho dãy mã dịch trái một vị trí, khi đó: Dịch Dãy m Cùng (A) Khác (D) A - D 0 1 2 3 4 ...... 000100110101111 001001101011110 010011010111100 100110101111000 001101011110001 15 7 7 7 7 0 8 8 8 8 15 -1 -1 -1 -1 Như vậy số số hạng phù hợp và số số hạng không phù hợp trênh lệch nhau là 1, tức là thỏa mãn tính tương quan.--> dãy mã 000100110101111 được tạo ra từ bộ ghi dịch trên chính là dãy mã giả tạp âm. 2.3.4 Dãy Gold Dãy Gold là mã trải phổ dùng cho CDMA, hàm tương quan chéo giữa hai dãy Gold bất kỳ khá nhỏ, hàm tương quan chéo lấy 1 trong 3 giá trị sau: N lẻ N chẵn với 1 *[r(N)-2] - 0 Hình 2. 21. Hàm tự tương quan của một dãy Gold. Dãy Gold là kết quả cộng module 2 đối với hai dãy m được định thời bằng cùng tốc độ chip fc . Trong việc thiết kế mạch tạo dãy Gold cho CDMA, điều quan trọng nhất là chọn đúng cặp dãy một (cặp phù hợp có ba giá trị hàm tương quan như trên hình 8 ). Sơ đồ mạch tạo mã Gold đơn giản, và tạo ra được số lượng lớn dãy Gold cung cấp cho các MS trong mạng CDMA. Như hình vẽ sau: 1 5 2 3 4 6 7 8 9 1 5 2 3 4 6 7 8 9 h(x) = x9+x4+1 h(x) = x9+x7+x6+x4+x3+x+1 Hình 2. 22 Mạch tạo dãy Gold (trường hợp 511 chip) 2.3.5 Hàm tự tương quan giả tạp âm: Từ phần trước ta đã đề cập đến hàm tự tương quan giả tạp âm, ở phần này ta nghiên cứu một cách chi tiết hơn. Hàm tự tương quan Rx() của tín hiệu ngẫu nhiên tuần hoàn x() với chu kỳ T0 = PTc , trong đó P là chu kỳ lặp của dãy mã, Tc là thời gian tồn tại của một chip, tính theo công thức: Rx() = Trong đó To = PTc = (2n - 1) , Tc , x(t) là tín hiệu xung hình chữ nhật, biên độ đơn vị [-1, +1]. Do đó: R() = Trong đó dấu * chỉ phép tích chập. với với q() = Đồ thị hàm tự tương quan Rx() như hình vẽ sau: -Tc Tc 0 T0 = PTc Rx(Tc) = -1/P 1 Rx() Hình 2.23 Hàm tự tương quan Từ đồ thị, trong một chu kỳ T0 , có nhận xét là hàm tự tương quan giữa tín hiệu trải phổ và tín hiệu đó dịch đi một khoảng ít nhất là Tc đã cho Rx() = -1/P0 nếu như P khá lớn. Nghĩa là hai tín hiệu gần như không tương quan nhau. Khi = 0, tức là x(t) và bản sao của nó trùng nhau thì Rx()max = 1. Cũng có thể kiểm chứng điều này bằng cách sử dụng công thức hàm tự tương quan cho tín hiệu rời rạc x(k) (lúc này coi tín hiệu như là dãy rời rạc). Khi đó hàm tự tương quan R() = x(k) là dãy xung rời rạc biên độ đơn vị [-1, +1]. Tại = Tc , ta có: R(Tc) = = [Số hạng phù hợp - Số hạng không phù hợp] Hay R(Tc) = - Tại = 0 , ta có: R(0) = = = 1. Như vậy các kết quả tính toán cũng phù hợp với đồ thị trên. CHƯƠNG III HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA 3.1 Mở đầu Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, những thị trường di động chính như NewYork, Los Angeles và Chicago đã phát sinh những vấn đề về lưu lượng. Chính vì vậy Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được TIA ( Telecomunications Industry Association – Liên hiệp công nghiệp viễn thông) ký hiệu là IS-54 . Cuối những năm 1980 mọi việc trở nên rõ ràng là IS-54 đã gây thất vọng. Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hơn. Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA. AT&T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA. Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới IS-136, còn gọi là AMPS số (D-AMPS). Tình trạng trên đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Công nghệ này trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Đến nay công nghệ này đã trơ thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ. Trong thông tin di động CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN( tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. 3.2 Cấu hình chung mạng thông tin di động 3.2.1 Giới thiệu chung Mạng thông tin di động số tế bào hiện nay có hai kỹ thuật truy nhập chính là TDMA và CDMA. Tuy đó là hai kỹ thuật khác nhau, nhưng nói chung cấu hình của chúng có rất nhiều điểm giống nhau. Phần này đề cập đến cấu hình mạng CDMA lấy trên cơ sở cấu hình mạng GSM. Tuy nhiên, ở mỗi nhà sản xuất khác nhau cấu hình cụ thể của mạng CDMA cũng rất khác nhau. Trong phần này sẽ trình bày một cấu hình điển hình của mạng CDMA: BS MX MS BTS BSC BSM ASS BSC CCS HLR PSTN Hình 3.1 Cấu hình điển hình của mạng CDMA BS MX MS : Mobile station : Trạm di động BS : Base station : Trạm gốc MX : Mobile Exchange : Tổng đài di động HLR : Home Location Register : Bộ đăng ký định vị thường trú. BTS :Base Transceiver Station : Trạm thu phát gốc BSM : Base station Manager : Bộ quản lý trạm gốc BSC : Base station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc ASS : Access Switching Subsystem: phân hệ chuyển mạch truy cập INS : Interconnection Network Subsystem: Phân hệ liên kết mạng. CCS : Central Control Subsystem: Phân hệ điều khiển trung tâm PSTN: Public Swictched Telephone Network: Mạng điện thoại cố định. 3.2.2 Máy thuê bao di động. Máy thuê bao di động có cấu trúc gồm Anten MS nối tới bộ anten song công cho phép một anten dùng chung cho cả phát và thu, điều hướng ở kênh vô tuyến nào đó có dải thông 1,25 MHz. Sau đó, tín hiệu được chuyển xuống trung tần, được lọc và đưa đến bộ chuyển đổi ADC. Tiếp theo tín hiệu số được đưa đến các vi mạch đặc chủng ASIC (Application specific Integrated Circuit). Chức năng chủ yếu của ASIC là Moderm của MS (MSM – Mobile Station Moderm). MSM có ba phần chính: các bộ giải điều chế, bộ điều chế thuê bao và bộ giải mã Viterbi. Các phần này được mô tả như sau: a. Bộ giải điều chế. Chức năng chủ yếu của bộ giải điều chế là chức năng máy thu Rake (quét tìm). Các bộ tương quan làm việc song song (mỗi bộ tương quan này được gọi là finger - ngón tay). Mỗi finger là một bộ giải điều chế độc lập, có thể bám sát tín hiệu về mặt tần số và về mặt thời gian xác định sự tương quan của các tín hiệu thu được theo dãy PN chỉ nén phổ các tín hiệu trong cuộc (tức là tín hiệu nào đã được trải phổ ở máy phát bởi cùng một dãy PN). Chúng đáp ứng môi trường truyền dẫn đa đường, có tăng ích xử lý đáng kể và cải thiện S/N. Tín hiệu dầu ra các finger được cộng theo tỷ lệ S/N của chúng, do đó được cực đại S/N sau khi cộng. Tín hiệu pilot phát từ trạm gốc có thể được dùng để xác định quan hệ pha sao cho việc cộng được thực hiện theo nguyên lý tương quan, ngoài ra còn có bộ điều chế thứ tư làm nhiệm vụ quát tìm liên tục tín hiệu đa dường và gán tín hiệu mạnh nhâts vào các finger, bộ giải điều chế quét tìm này cũng phục vụ việc chuyển giao. b. Bộ điều chế. Bộ điều chế phục vụ việc xử lý phát, xử lý dữ liệu; mã hoá vòng xoắn, cài xen khối và trải phổ. Công suất phát được điều khiển bởi vi xử lý điều khiển, sau đó tín hiệu được dưa lên cao tần 850 MHz. Trong bộ điều chế có cả bộ giải cài xen phục vụ việc thu dữ liệu. c. Bộ giải mã Viterbi. Bộ giải mã này dùng thuật toán Viterbi. Sau đó, dòng bit được xử lý tiếp theo ở bộ giải mã thoại hoặc người ding số liệu. 3.2.3 Trạm gốc BS. BS đóng vai trò giao diện giữa máy di động MS và tổng đài di động MX. BS cung cấp đường truyền của các gói tin. BS cũng còn là một đầu cuối cố định của giao diện vô tuyến. Giao diện vô tuyến có chức năng điều khiển và đảm bảo phủ sóng cho cell. Cấu hình BS bao gồm BSC, BTS và BSM, được trình bày như hình vẽ sau: BTS RF GPS CD BIN BCP BSC CIN CCP TSB CKD BSM BSMP ALM Hình 3.2 Cấu hình trạm gốc BS. RF: Radio Frequency Block: Khối tần số vô tuyến. CD: CDMA Digital Block: khối xử lý số. GPS: Global Positionning System: Đồng hồ hệ thống (định vị toàn cầu) BCP: BTS Control Processor: Bộ xử lý điều khiển BTS. CIN: CDMA Interconnecton Network: Mạng liên kết. CKD: Clock Distributor: Bộ phân chia đồng hồ. TSB: Transcoder & Selector Bank: Bộ chuyển mã và chọn. CCP: Call Control Processor: Bộ xử lý điều khiển cuộc gọi. BIN: BTS Interconnecton Network: Mạng liên kết BTS BSMP: Base Station Manager Processor: Bộ xử lý điều hành quản trị trạm gốc. ALM: Alarm: Cảnh báo. a. Phân hệ phát thu của trạm gốc BTS: BTS được bố trí theo địa lý từng cell, ở xa BSC. BTS bao gồm một hệ thống anten, thiết bị tần số vô tuyến ( các máy phát máy thu ) và các phương tiện số để liên lạc với BSC. BTS bao gồm RF, CD, GPS, BCP và BIN. BCP là bộ xử lý điều khiển quản trị chung trên một BTS. BCP gồm có một bộ xử lý điều khiển quét để liên kết khối số, để xử lý cuộc gọi, quản lý địa chỉ vận hành và bảo dưỡng BTS. Khối xử lý số CD dùng để xử lý tín hiệu CDMA, đó là các công việc CODEC, MODERM định thời, phối ghép giữa các dải quạt của BTS. Khối tần số vô tuyến RF có các chức năng: giữ mức tạp âm thấp, khuyếch đại, lọc, chuyển đổi tần số xuống và lên, kết hợp và phân bố đa tần số. Mạng liên kết của BTS được gọi là BIN, nó cung cấp các đường truyền điều khiển và đường truyền lưu lượng tới các khối trong BTS và BSC. Đồng hồ hệ thống GPS bảo đảm định thời cho toàn bộ hệ thống. b. Bộ điều khiển của trạm gốc (BSC) BSC kết hợp chặt chẽ với các tổng đài di động MX. BSC có trách nhiệm cấp phát các kênh ở giao diện vô tuyến, điều khiển công suất và thực hiện chuyển giao mềm cho các MS trong vùng phục vụ của nó. BSC bao gồm CIN, CKD, TSB và CCP. Mạng liên kết CIN cung cấp các đường truyền dẫn chung giữa các khối. Bộ chuyển mã và chọn TSB mã hóa thoại, phân bố các bộ chọn, đóng và mở gói, điều khiển công suất, thực hiện chuyển giao cứng trong cell. Bộ xử lý cuộc gọi CCP cấp phát và quản trị các tài nguyên, thực hiện chuyển giao mềm cùng với điều khiển cuộc gọi. Bộ phân chia đồng hồ CKD đồng bộ định thời từ đồng hồ GPS cho các phần tử trong mạng. Các bản tin giữa BTS và BSC được truyền trên các tuyến T1 hay E1 với tốc độ 1,544 Mbit/s hay 2,048 Mbit/s. Dòng bit các gói được chuyển từ các byte 8 bit song song ở CIN, rồi chuyển đến MX qua CCP. c. Bộ quản lý trạm gốc (BSM) BSM bao gồm BSMP và ALM. Bộ xử lý quản trị trạm gốc BSMP hỗ trợ một giao diện giữa người khai thác và máy, tiến hành điều hoà tải theo chương trình, vận hành và bảo dưỡng trạm gốc. Bộ cảnh báo ALM xử lý cảnh báo các sự kiện sai hỏng. 3.2.4 Tổng đài di động MX. MX bao gồm ba phân hệ ASS, INS và CSS. MX cung cấp các dịch vụ căn bản và dịch vụ phụ cho MS. MX có bộ đăng ký tạm trú VLR để lưu giữ tạm thời các tin tức về thuê bao. MX được thực thi thành một hệ thống điều khiển phân bố có đẳng cấp. MX cũng điều khiển sự trao đổi thông tin giữa các bộ xử lý. MX được module hoá theo chức năng và có cấu hình dự phòng. Hình vẽ sau trình bày cấu hình MX. ASS AS ASS-T ASS-M ISN CCS AMS LRS HLR PSTN BCS Hình 3..3 Cấu hình tổng đài di động MX. ASS: Access Swtching Subsystem: Phân hệ chuyển mạch truy cập. ASS-7 để truy cập mạng báo hiệu SS7. ASS-T để truy cập trung kế PSTN ASS-M để truy cập thuê bao di động INS: Interconnecton Network Subsystem: Phân hệ mạng liên kết. CCS: Central Control Subsystem: Phân hệ điều khiển trung tâm AMS: Administration & Maintenace Subsystem: Phân hệ quản trị và bảo dưỡng LRS: Location Register Subsystem: Phân hệ dăng ký vị trí. Phân hệ chuyển mạch truy cập ASS chia thành các khối nhỏ hơn tương ứng các đối tượng truy cập khác nhau. Phân hệ liên kết INS cung cấp sự đấu nối cho ASS và CSS bao gồm khối AMS và LRS. Mỗi cuộc gọi cần được gán vào một bộ chọn và một vocoder tương ứng. Chất lượng thoại được đánh giá bằng S/N trong từng cửa sổ 20 ms của vocoder. Nếu thu là phân tập thì chuyển mạch số sẽ chọn ra đường truyền tốt nhất. CCS cộng tác với CCP để dịnh tuyến cuộc gọi giữa MX và BS, cấp phát mã trải phổ PN cho cuộc gọi xét. 3.2.5 Bộ đăng ký định vị thường trú HLR HLR lưu giữ thông tin vĩnh cửu và thông tin tạm thời, như định vị MS, nhận dạng thuê bao, các dịch vụ số, số liệu tính cước. Hình vẽ dưới mô tả cấu hình HLR, trong đó AES cung cấp đường truyền dẫn giữa các bộ xử lý ứng dụng, NIS hỗ trợ các chức năng lớp thấp hơn cho báo hiệu số 7. HLR AES NIS DBS OMS MX Hình 3.4 Cấu hình bộ định vị trường trú HLR. AES: Aplication Entity Subsystem: Phân hệ ứng dụng DBS: Database Subsystem: Cơ sở dữ liệu. NIS: Network Interface Subsystem: Phân hệ phối ghép mạng. OMS: Operation & Maintenace Subsystem: Phân hệ khai thác và bảo dưỡng. 3.3 Thủ tục thu phát tín hiệu Hình 3.5 Sơ đồ phát thu CDMA Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng mang f o và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128). Tín hiệu đã được điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25 MHZ sau đó phát xạ qua anten. ở đầu thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa đến bộ tương quan qua bộ lọc băng thông độ rộng băng 1,25 MHz và số liệu thoại mong muốn được tách ra để tái tạo lại số liệu thoại nhờ sử dụng bộ tách chèn và giải mã. 3.4 Các đặc tính của CDMA 3.4.1 Tính đa dạng phân tập Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM analog sử dụng trọng hệ thống điện thoại tổ ong thế hệ đầu tiên thì tính đa đường tạo nên nhiều fading nghiêm trọng. 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 nhận một cách độc lập. Nhưng hiện tượng fading xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading đa đường xảy ra liên tục thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo khoảng cách. Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng chin mã và sửa sai. Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading kết hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu (200-300) KHz. Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 phương pháp sau: Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc nhiều BS. Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian. Đặt nhiều anten tại BS. Dải rộng của phân tập theo đường truyền có thể được cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao. Bộ điều khiển đa đường tách sang dạng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song. Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan. BS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy quét, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả tín hiệu thu được. Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu. Vì vậy, tổng các tín hiệu thu được có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thởi trong tất cả các tín hiệu thu được là rất thấp. 3.4.2 Công suất phát thấp Việc giảm tỷ số Eb/No (tương ứng với tỷ số tín hiệu/nhiễu) chấp nhận được không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa. Việc giảm này nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với các hệ thống analog hoặc TDMA có công suất tương tự. Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và làm giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác. Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát trung bình. Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian. Trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi có fading. 3.4.3 Bộ mã - giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với các tốc độ biến đổi 8 Kb/s. Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã - giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS và máy di động. Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu thoại được mã hoá dùng để truyền tới bộ mã - giải mã thoại phía thu. Bộ mã - giải mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được thành các mẫu tín hiệu thoại. Hai bộ mã - giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là 9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s, 1200 b/s, các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu. Thuật toán mã - giải mã thoại chấp nhận CELP (mã dự đoán tuyến tính thực tế), thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là QCELP. Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thính để chọn tốc độ số liệu. Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu thoại vào. Do đó, tạp âm nền bị triệt đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lượng cao trong môi trường tạp âm. 3.4.4 Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA. Giao thoa tổng ở tín hiệu máy di động thu được từ BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của cùng một BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của BS bên cạnh. Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di động giao thoa với tín hiệu của tất cả các máy di động khác. Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng một nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS. Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định hướng là khoảng 65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả các BS. Hình 3.6 trình bày giao thoa từ các BS bên cạnh theo %. Giao thoa từ mỗi BS trong vòng biên thứ nhất tương ứng với 6% của giao thoa tổng. Hình 3.6: Giao thoa từ BS bên cạnh Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa tổng do vòng thứ 2 và vòng ngoài là nhỏ hơn 4%. Trong trường hợp anten của BS là định hướng (tức là búp sóng anten 120 o) thì giao thoa trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong BS. Do đó, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần. 3.4.5 Dung lượng mềm Hiện tại FCC (Uỷ ban thông tin liên bang của Mỹ) ấn định phổ tần 25 MHz cho hệ thống tổ ong, hệ thống này được phân bổ đồng đều cho 2 công ty viễn thông theo các vùng. Dải phổ này được phân phối lại giữa các ô để cho phép sử dụng lớn nhất là 57 kênh FM analog cho một BS 3 búp sóng. Do đó, thuê bao thứ 58 sẽ không được phép có cuộc gọi khi lưu lượng bị nghẽn. Khi đó thậm chí một kênh cũng không được phép thêm vào hệ thống này và dung lượng sẽ giảm khoảng 35% do trạng thái tắc cuộc gọi. Nói cách khác thì hệ thống CDMA có mối liên quan linh hoạt giữa số lượng người sử dụng và loại dịch vụ. Ví dụ, người sử dụng hệ thống có thể làm tăng tổng số kênh trong đa số thời gian liên tục đưa đến việc tăng lỗi bit. Chức năng đó có thể làm tránh được việc tắc cuộc gọi do tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Trong hệ thống analog và hệ thống TDMA số thì cuộc gọi được ấn định đối với đường truyền luân phiên hoặc sự tắc cuộc gọi xảy ra trong trường hợp tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Nhưng trong hệ thống CDMA thì có thể thoả mãn cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỷ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành. Cũng vậy, hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất lượng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định công suất (dung lượng) nhiều cho các người sử dụng dịch vụ lớp cao. Có thể cung cấp thứ tự ưu tiên cao hơn đối với dịch vụ chuyển vùng của người sử dụng lớp dịch vụ cao so với người sử dụng thông thường. 3.4.6 Tách tín hiệu thoại Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn khoảng 35%. Trong trường hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài. Nhưng do tốc độ truyền dẫn số liệu giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụng khác giảm một cách đáng kể. Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng 1/2 vì dung lượng được xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác. 3.4.7 Bảo mật cuộc gọi Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơ bản là tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã được scrambling (trộn). Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo mật cuộc. Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác. 3.4.8 Dung lượng Với khái niệm tái sử dụng tần số của hệ thống tổ ong thì cho phép có một mức độ giao thoa nhất định để mở rộng dung lượng hệ thống một cách có điều khiển. Do CDMA có đặc tính gạt giao thoa một cách cơ bản nên nó có thể thực hiện việc điều khiển giao thoa hiệu quả hơn hệ thống FDMA và TDMA. Thực tế thì CDMA xuất phát từ hệ thống chống nhiễu để sử dụng trong quân đội. Do hệ thống điều chế băng hẹp yêu cầu tỷ số sóng mang nhiễu vào khoảng 18dB nên còn có rất nhiều hạn chế xét từ quan điểm hiệu quả tái sử dụng tần số. Trong hệ thống như vậy thì một kênh sử dụng cho một BS sẽ không được phép sử dụng cho BS khác. Nói cách khác thì trong hệ thống CDMA một kênh băng tần rộng được sử dụng chung bởi tất cả các BS. Các tham số chính xác định dung lượng của hệ thống tổ ong số CDMA bao gồm: độ lợi xử lý, tỷ số Eb/No (bao gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tần số và số lượng búp sóng của anten BS. Hơn nữa, càng nhiều kênh thoại được cung cấp trong hệ thống CDMA có cùng một tỷ lệ cuộc gọi bị chặn và hiệu quả trung kế cũng tăng lên thì càng nhiều dịch vụ thuê bao được cung cấp trên một kênh. 3.4.9 Chuyển giao mềm Khi một thuê bao CDMA đi ngang qua biên giới giữa hai trạm gốc sẽ xảy ra quá trình chuyển giao mềm. Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động BS1 BS1 Khung thoại và số liệu chiều ngược lại Khung thoại và số liệu chiều ngược lại Khung thoại và số liệu chiều ngược lại Khung thoại và số liệu chiều ngược lại Khung thoại và số liệu đồng bộ từ MSC đến BS Khung bit điều khiển công suất của BS và tín hiệu thoại đồng bộ từ BS đến máy di động Hình 3.7 Đường kết nối trong chuyển vùng mềm Chuyển giao mềm là sự nối cuộc gọi được hoàn thành trước khi từ bỏ kênh cũ . Quá trình chuyển giao này có thể thực hiện được bởi vì các cell kề nhau cùng sử dụng chung một tần số. Trong khi chuyển giao mềm xảy ra thì một BTS mới bắt đầu thông tin với MS trong khi MS vẫn còn tiếp tục thông tin với BTS cũ. MS thực hiện thông tin đồng thời với 2 BTS. Nhưng nhờ có bộ thu RAKE mà tín hiệu thu từ 2BTS được xử lý như là tín hiệu đa đường. MS kết hợp tín hiệu thu được từ 2 BTS để tạo ra tín hiệu thu không bị gián đoạn Việc hỗ trợ đồng thời này từ hai trạm gốc này còn cung cấp một lợi ích về phân tập (không gian) làm cải thiện đáng kể chất lượng truyền dẫn ở vùng rìa cell . Ưu điểm của chuyển giao mềm so với chuyển giao cứng trong các hệ thống analog và GSM là: trong các hệ thống này thì do sử dụng các tần số khác nhau tại các cell liền kề cho nên khi MS vượt qua vùng biên một cell và đi vào vùng phủ sóng của một cell khác, thì cần được chuyển mạch tới một kênh khác trong trạm phủ sóng mới. Quá trình chuyển giao cứng này làm cho kênh lưu lượng bị ngắt quãng trong thời gian ngắn. Còn trong chuyển giao mềm thì do các kênh cùng tần số nên không phải chuyển kênh khi chuyển giao và mặt khác sự chuyển cuộc gọi sang cell khác được thực hiện trước khi kết nối hoàn toàn với trạm gốc trong cell đó. 3.4.10 Điều khiển công suất Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (từ BS đến máy di động và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lưu lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích khác. Mục đích của điều khiển công suất phát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di động sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể được thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS. Khi công suất phát của tất cả các máy di động trong vùng phục vụ được điều khiển như vậy thì tổng công suất thu được tại bộ thu của BS trở thành công suất thu trung bình của nhiều máy di động. Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu CDMA thu được từ máy di động tương ứng thành thông tin số băng hẹp. Trong trường hợp này thì tín hiệu của các máy di động khác còn lại chỉ như là tín hiệu tạp âm của băng rộng . Thủ tục thu hẹp băng được gọi là độ lợi xử lý nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/ giao thoa (dB) từ giá trị âm lên đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động được với lỗi bit chấp nhận được. Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tăng số lượng các cuội gọi đồng thời trong một băng tần cho trước. Dung lượng hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được thu bởi BS có tỷ số tín hiệu/giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di động. Hoạt động của máy di động sẽ bị giảm chất lượng nếu tín hiệu của các máy di động mà BS thu được là quá yếu. Nếu các tín hiệu của các máy di động đủ khoẻ thì hoạt động của các máy này sẽ được cải thiện nhưng giao thoa đối với các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của các thuê bao khác sẽ bị giảm nếu như dung lượng tối đa không giảm. Việc đóng, mở mạch điều khiển công suất từ máy di động tới BS và điều khiển công suất từ BS tới máy di động sử dụng trong hệ thống CDMA được chỉ trên hình 3.8. Hình 3.8: Điều khiển công suất trong CDMA Mạch mở đường điều khiển công suất từ máy di động tới BS là chức năng hoạt động cơ bản của máy di động. Máy di động điều chỉnh ngay công suất phát theo sự biến đổi công suất thu được từ BS. Máy di động đo mức công suất thu được từ BS và điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo được. Mạch mở đường điều khiển công suất làm cho các tín hiệu phát của tất cả các máy di động được thu với cùng một mức tại BS. BS cung cấp chức năng mạch mở đường điều khiển công suất qua việc cung cấp cho các máy di động một hằng số định cỡ cho nó. Hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ tới yếu tố tải và tạp âm của BS, độ tăng ích anten và bộ khuyếch đại công suất. Hằng số này được truyền đi từ BS tới máy di động như là một phần của bản tin thông báo. BS thực hiện chức năng kích hoạt đối với mạch đóng điều khiển công suất từ máy di động tới BS. Khi mạch đóng dẫn đến việc BS địch cỡ công suất mạch mở xác định của máy di động một cách tức thời để máy di động giữ được công suất phát tối ưu. BS so sánh tín hiệu thu được từ máy di động liên quan với giá trị ngưỡng biến đổi và điều khiển công suất tăng hay giảm sau mỗi khoảng thời gian 1,25 ms cho đến khi đạt kết quả. Việc định cỡ giá trị mạch đóng để bù cho giá trị xác định của mạch mở mà mạch mở này bù độ tăng ích chấp nhận được và suy hao truyền dẫn của các đường đi và đến giữa BS và máy di động. BS cung cấp việc điều khiển công suất từ BS tới máydi động nhờ việc quy định công suất này tương ứng với công suất đo được tại máy di động. Mục đích của việc điều khiển này là làm giảm công suất phát của máy di động khi rỗi hoặc ở vị trí tương đối gần BS, làm cho fading đa đường thấp và giảm hiệu ứng bóng râm hay làm giảm giao thoa đối với các BS khác. Do đó, công suất được cung cấp thêm đối với các vùng thu tín hiệu bị gián đoạn hoặc đối với máy di động ở xa có tỷ lệ lỗi cao. 3.5 Giao diện vô tuyến CDMA 3.5.1 Các kênh tuyến xuống Kênh hướng xuống bao gồm 64 kênh: 1 kênh dẫn đường (pilot), 1 kênh đồng bộ, một số kênh lưu lượng (max=55) và một số kênh nhắn tin (max=7) được chỉ ra như hình vẽ 3.3 ở trang sau. Trong sơ đồ cấu trúc kênh CDMA có 64 kênh dùng chung đồng thời giải tần số 1,23 MHz, các kênh đó được phân biệt với nhau bởi mã nhận dạng Walsh. Mỗi mã 64 chip trực giao nhau để cung cấp bộ nhận dạng đặc trưng duy nhất cho mỗi kênh hướng xuống và cung cấp ký hiệu điều chế cho đường truyền hướng lên. Các kênh dẫn đường và kênh đồng bộ phục vụ sự khởi tạo của MS. Ở trạng thái chờ, MS cần đến các kênh nhắn tin phục vụ việc truy cập vào mạng để thiết lập cuộc gọi. Trạm gốc dùng sự lệch thời gian (time offset) của kênh dẫn đường để làm căn cứ cho MS nhận dạng kênh hướng xuống (có 512 lệch thời gian khác nhau). Mỗi trạm gốc có một giá trị lệch thời gian. Lệch thời gian được dùng trong quá trình chuyển giao Kênh hướng xuống 1,23 MHz Kênh dẫn đường Kênh đồng bộ Kênh nhắn tin 1 Kênh nhắn tin 7 Kênh lưu lượng 1 Kênh lưu lượng N Kênh lưu lượng 55 … .. .... Điều khiển công suất MS Dữ liệu W0 W32 W1 W7 W8 W63 Hình 3.9 Kênh CDMA hướng xuống phát đi ở trạm gốc. Cứ mỗi khi MS bật nguồn, thì hệ kênh đồng bộ cung cấp cho MS các tin tức định thời và tin tức về cấu hình hệ thống. Kênh đồng bộ cũng dùng một mã trải phổ PN với cùng lệch thời gian như kênh dẫn đường và khung kênh đồng bộ (1200bit/s) có độ dài bằng chuỗi PN được dùng. Trên kênh đồng bộ còn có tin tức về tốc độ kênh nhắn tin và lệch thời gian của chuỗi PN dẫn đường. Trạm gốc dùng kênh nhắn tin để gửi tin tức mào đầu và tin tức nhận dạng thuê bao. Một khi MS đã có được tin tức từ kênh đồng bộ, thì MS điều chỉnh định thời của nó và bắt đầu theo dõi kênh nhắn tin (9600 hoặc 4800 bit/s). Kênh lưu lượng hướng xuống được dùng để truyền lưu lượng thuê bao hoặc báo hiệu phục vụ một cuộc gọi. Kênh lưu lượng bao gồm một phân kênh mang tin tức điều khiển công suất một cách liên tục (như một phần của hệ thống vòng kín điều khiển công suất). Kênh lưu lượng có các tốc độ truyền dẫn 9600, 4800 hay 1200bit/s tuỳ thuộc sự lựa chọn cho từng khung, mặc dù tốc độ điều chế ký hiệu giữ nguyên không đổi. 3.4.2 Các kênh tuyến lên Kênh CDMA hướng về được MS sử dụng khi thông tin với trạm gốc trong khi đang cùng sử dụng một băng tần chung với các MS khác, và được ấn định sử dụng trải phổ trực tiếp trước khi truyền đi. Kênh CDMA hướng về là liên kết hướng về (Reverse Link) từ trạm di động tới trạm gốc. Số liệu được truyền trên kênh CDMA hướng về được chia thành các khung có độ dài 20ms. Kênh CDMA hướng về gồm có các kênh truy nhập hướng về và kênh lưu lượng hướng về. Tất các dữ liệu được truyền trên kênh CDMA hướng về được mã hoá xoắn để thực hiện chống lỗi ngẫu nhiên, chèn để bảo vệ chống lại lỗi cụm, được điều chế bằng mã Walsh bao gồm một trong 64 chip dài, và được trải phổ dãy trực tiếp bởi mã dài với chu kỳ 242-1 chip trước khi được truyền đi. Kênh hướng lên 1,23 MHz Kênh truy nhập 1 Kênh truy nhập n Kênh lưu lượng 1 Kênh lưu lượng m ..... ..... 0 N 32 0 M 62 Hình 3.10. Kênh CDMA hướng lên nhận ở trạm gốc. CHƯƠNG IV CÔNG NGHỆ CDMA 2000 4.1 Mở đầu CDMA 2000 là một trong các tiêu chuẩn mạng truy nhập vô tuyến của IMT-2000 cho thế hệ 3. CDMA 2000 được tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn IS-2000, tiêu chuẩn này tương thích ngược với IS-95A và IS-95B (CDMA One). Vì CDMA 2000 tương thích ngược với các mạng CDMA One hiện có nên việc nâng cấp hoặc chuyển đổi từ các phần tử cố định của mạng CDMA One có thể thực hiện theo từng giai đoạn. Việc nâng cấp hay chuyển đổi bao gồm: BTS có các phẩn tử kênh đa chế độ, BSC có khả năng định tuyến IP và đưa và PDSN(Packet Data Service Node: nút phục vụ số liệu gói). ậ thế hệ 2,5 CDMA 2000 1x có độ rộng băng tần giống như CDMA One(1,25MHz), vì thế việc nâng cấp từ CDMA One đến hệ thống này hoàn toàn thuận lợi. CDMA 2000 3x sử dụng băng tần gấp 3 băng tần CDMA One: 3x1,25 = 3,75 MHZ. Việc chuyển từ 1x sang 3x cũng hoàn toàn thuận lợi, chỉ đòi hỏi việc ấn định băng tần. Một nét đặc biệt quan trọng của CDMA 2000 là nó không hỗ trợ kết nối hệ thống của IS-41 hiện được IS-95 sử dụng mà hỗ trợ cả các yêu cầu kết nối cảu GSM-MAP. Điều này cho phép một nhà khai thác đồng thời hai hệ thống W-CDMA và CDMA 2000 tiến tới kết hợp hoặc phát triển một hệ thống kép. 4.2 Cấu trúc chung mạng cdma 2000 Việc xây dựng hệ thống cdma2000 1X hoặc 3X, yêu cầu nâng cấp các phần tử mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi của hệ thống hiện có. Điều quan trọng cán chú ý là cải tiến cho một nhà khai thác CDMA 2000 sẽ bắt đầu từ 1X lên 3X nếu nền tảng CDMA 2000 được thực hiện trong thời gian gần. Để xác định các phần tử mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi nào cần sử dụng cho việc thực hiện thành công một hệ thống cdma 2000 tốt nhất là bắt đầu với một sơ đồ mạng đơn giản của hệ thống CDMA One. Hinh 4.1 là hệ thống cdma One độc lập chứa vài BTS được đăng ký thường trú tới 2 BSC. Các BSC này không cùng vị trí với MSC nhưng tren thực tế MSC và BSC có thể đặt cùng vị trí tuỳ theo yêu cầu thực hiện kết nối và thoả thuận trong các hợp đông thương mại.Trên hình 4.1 thể hiện thanh ghi định vị thường trú(HLR) nhưng để đơn giản nhiều hệ thống hỗ trợ khác không được thể hiện. Đường kết nối từ các BTS và từ BSC tới MSC có thể thực hiện bằng các đường viba hoặc kết nối cố định. Hình 4.1 Cấu trúc mạng đơn giản của hệ thống CDMA One Tiếp theo là một ví dụ của mạng CDMA tổng quát như trên hình 4.2. Hai hình 4.1 và 4.2 thể hiện các phần tử mạng mới cần thực hiện để nâng cấp lên CDMA 2000 từ hệ thống CDMA One. Hình 4.2 không chỉ ra nên tảng cần nâng cấp. Tuy nhiên, hình 4.3 chỉ ra một loạt các nền tảng chủ yếu hoặc cần được nâng cấp hoặc cần thiết cho mạng CDMA mới, khi so sánh với hệ thống CDMA One. Hình 4.2 Cấu trúc hệ thống CDMA 2000 Các nâng cấp liên quan tới BTS và BSC mà có thể được thực hiện dễ dàng bằng việc thêm vào các modul, tuỳ theo hệ thống hạ tầng cơ sở đang sử dụng. Đối với hệ thống được xây dựng mới hoặc được nâng cấp từ hệ thống CDMA One, trọng tâm của các dịch vụ số liệu gói cho một mạng CDMA 2000 là nút dịch vụ số liệu gói (PDSN). Hình 4.3 Sự thay thế các phần tử mạng của hệ thông 2.5G và 3G 4.2.1 Nút dịch vụ số liệu gói (PDSN) PDSN là một phần tử mới trong hệ thống CDMA 2000. Vị trí của nó trong mạng CDMA 2000 được chỉ ra trong hình 4.2. Mục đích PDSN là hỗ trợ các dịch vụ số liệu gói và thực hiện các chức năng sau: Thiết lập, duy trì và kết nối các phiên giao thức điểm- điểm (PPP) với thuê bao. Hỗ trợ cả dịch vụ gói IP di động và cố định Thiết lập, duy trì và kết cuối các liên kết logic tới mạng vô tuyến (RN) thông qua giao diện gói vô tuyến(R-P). Khởi tạo việc nhận thực, chấp nhận nhận thực và thanh toán AAA cho khách hàng di động tới máy chủ AAA Thu các tham số dịch vụ cho khách hàng di động từ máy chủ AAA Định tuyến các gói tới hoặc từ các mạgn số liệu gói từ bên ngoài. Thu thập số liệu sử dụng được gửi tới máy chủ AAA. Dung lượng chung của PDSN được xác định bởi cả thông lượng lẫn số lượng phiên PPP đang được phục vụ. Dung lượng cụ thể của PDSN cũng phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng được sử dụng cũng như mật độ card cụ thể thực hiện điều đó. 4.2.2 Nhận thực, trao quyền, thanh toán (AAA) Máy chủ AAA là một thành phần mới của CDMA 2000. AAA tạo chức năng nhận thực, trao quyền và thanh toán ch o mạng số liệu gói kết hợp với CDMA 2000 và sử dụng giao thức dịch vụ người sử dụng quay số đến truy cập từ xa. Máy chủ AAA kết nối với PDSN thông qua IP(hình 4.2) và thực hiện chức năng chính sau: Nhận thực kết hợp với nối PPP và IP di động Trao quyền quản lý và phân phối khoá bảo mật Thanh toán 4.2.3 Máy chủ thường trú HA HA thực hiện nhiều nhiệm vụ: dò tìm dịch vụ của thuê bao di dộng khi nó di chuyển từ một vùng gói này sang vùng gói khác. Trong quá trình dò tìm máy di động, HA đảm bảo rằng các gói tự động được gửi đến máy di động. 4.2.4 Bộ định tuyến Bộ định tuyến được chỉ ra trong hình 4.2 và 4.3 có chức năng định tuyến các gói đến và từ rất nhiều thành phần mạng trong giới hạn một hệ thống CDMA 2000. Bộ định tuyến cũng có nhiệm vụ gửi và nhận các gói đến và từ một mạng nội bộ đến các phần tử ngoài mạng. 4.2.5 Thanh ghi địa chỉ thường trú HLR HLR được sử dụng trong các mạng IS-95 hiện có để lưu giữ thông tin thuê bao bổ xung, kết hợp với việc đưa ra các mạng dịch vụ số liệu gói. HLR thực hiện cùng một chức năng cho các dịch vụ gói như nó đang thực hiện cho dịch vụ thoại, trong đó nó lưu giữ các tuỳ chọn dịch vụ số liệu gói và các thiết bị đầu cuối cùng với các nhu cầu nền tảng truyền thống. Thông tin dịch vụ từ HLR được tải xuống thanh ghi định vị tạm trú VLR của chuyển mạch dạng kết hợp, trong thời gian xử lý đăng ký thành công. Quá trình này thực hiện giống như trong hệ thống IS-095 hiện có và các hệ thống 1G và 2G khác. 4.2.6 Trạm thu phát gốc BTS BTS có nhiệm vụ phân bổ tài nguyên, công suất và mã Wash cho thuê bao sử dụng. BTS cũng có thiết bị vô tuyến vật lý được dùng để phát và thu các tín hiệu CDMA 2000. BTS điều khiển giao diện giữa mạng CDMA 2000 và các khối thuê bao. BTS cũng điều khiển một số khía cạnh của hệ thống có liên quan trực tiếp đến chất lượng mạng: nhiều sóng mang khai thác từ trạm, công suất đường xuống(phân bổ mào đầu lưu lượng và chuyển giao mềm) và phân phối mã Wash. 4.2.7 Bộ điều khiển trạm gốc BSC có nhiệm vụ điều khiển mọi BTS nằm trong miền của nó. BSC định tuyến các gói tới và từ các BTS tới PDSN. Ngoài ra, BSC định tuyến lưu lượng ghép kênh phân chia theo thời gian(TDM) tới phần tử chuyển mạch và nó định tuyến số liệu gói tới PDSN. 4.3 Cấu trúc phân lớp của CDMA 2000 Cấu trúc phân lớp chung của CDMA 2000 được cho bời hình dưới: Báohiệu lớp 3 IS 95 Báo hiệu lớp cao hơn cdma 2000 Báo hiệu lớp cao hơn loại khác Dịch vụ dữ liệu gói Dịch vụ thoại Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch Báo hiệu lớp 2 IS 95 Lớp 2 cdma 2000 Báo hiệu lớp 2 loại khác Dữ liệu gói lớp 2 X Dữ liệu chuyển mạch lớp 2 Trường hợp 1: DPLICF cho MAC(thí dụ báo hiệu) Trường hợp 2: DPLICF cho MAC(thí dụ dịch vụ dữ liệu chuyển mạch hoặc gói) PLDCF dành riêng cho trường hợp 1 PLDCF dành riêng cho trường hợp 2 Phân lớp QoS và MUX PLDCF Lớp vật lý CDMA 2000 Hình 4.4 Cấu trúc phân lớp của CDMA 2000 4.3.1 Các lớp trên Cấu trúc lớp của CDMA 2000 được chỉ ra trên hình 4.4. Các lớp cao chứa 3 dịch vụ cơ bản: Dịch vụ thoại: gồm truy nhập PSTN, các dịch vụ thoaiị di động tới di động và thoại Internet Các dịch vụ mang số liệu người sử dụng đầu cuối: là dịch vụ phân phối mọi dạng số liệu của người sử dụng di động đầu cuối, bao gồm số liệu gói (ví dụ dịch vụ IP) dịch vụ số liệu kênh( ví dụ như dịch vụ mô phỏng kênh) và SMS. Các dịch vụ gói phù hợp với số liệu gói hướng kết nối và chi phí kết nối theo tiêu chuẩn công nghiệp bao gồm các giao thức dựa trên IP và các giao thức liên m ạng phi kết nối ISO/OSI. Các dịch vụ số liệu kênh mô phỏng các dịch vụ hướng kết nối được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế như các dịch vụ truy nhập quay số dị bộ, fax, ISDN tương thích tốc độ V.120 và B-ISDN. Báo hiệu: Các dịch vụ điều khiển mọi hoạt động của máy di động. 4.3.2.Các lớp dưới (lớp đoạn nối) Lớp liên kết cung cấp độ tin cậy và chất lượng dịch vụ QoS khác nhau theo yêu cầu của dịch vụ lớp cao. Nó cung cấp giao thức và cơ chế điều khiển cho các dịch vụ truyền tải số liệu và thực hiện tất cả các chức năng cần thiết để ánh xạ cá nhu cầu truyền tải số liệu của lớp cao vào khả năng đặc trưng và các đặc tính của lớp vật lý. Lớp liên kết được chia thành các phân lớp: Phân lớp điều khiển truy nhập liên kết LAC: Quản lý các kênh thông tin điểm-điểm giữa các thực thể đồng cấp lớp cao và đưa ra một khuôn khổ để hỗ trợ các giao thức lớp liên kết tin cậy đầu cuối- đầu cuối khác nhau. Phân lớp điều khiển truy nhập phương tiện MAC: Thực hiện các khả năng đa dịch vụ, đa phương tiện đồng thời quản lý QoS cho từng dịch vụ tích cực.Phân lớp MAC có chức năng quan trong sau: Trạng thái điều khiển truy nhập đa phương tiện. Phân phối với nỗ lực cao nhất. Ghép kênh và điều khiển QoS. 4.3.3 Lớp vật lý Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ mã hoá và điều chế cho một tập hợp các kênh logic được sử dụng bởi phân lớp PLDCF MUX và QoS. Các kênh vật lý được phân loại như sau: Các kênh vật ký riêng đường xuống/ đường lên (F/R-DPHCD) là tập hợp tất cả các kênh vật lý mang thông tin theo cách chuyên dụng, điểm tới điểm giữa BS và một MS. Các kênh vật lý chung đường xuống/ đường lên ( F/R-CPHCH) là tập hợp tất cả các kênh vật lý mang thông tin theo cách chia sẻ truy nhập, điểm tới điểm giữa BS và nhiều MS. Hình 4.5 các kênh vật lý CDMA 2000 Hình 4.6(a) Tổng quan các kênh vật lý dành riêng CDMA 2000 Hình 4.6(b) Tổng quan các kênh vật lý dành riêng CDMA 2000 Hình 4.7 Tổng quan các kênh vật lý chung CDMA 2000 4.4 các kênh của CDMA 2000 4.4.1.Các qui ước ký hiệu kênh Ký hiệu kênh logic bao gồm ba hoặc bốn chữ thường viết tắt,tiếp sau là “ch”(kênh), một gạch ngang được sử dụng sau chữ cái đầu.Chữ cái thứ tư dùng cho các kênh dùng chung.Bảng 4.8 dưới đây cho thấy qui ước ký hiệu kênh logic.(Thí dụ: Ký hiệu kênh lưu lượng riêng đường xuống là f-dtch) Ký tự đầu tiên Ký tự thứ hai Ký tự thứ ba f=đường xuống (Forward) r = đường lên (Reverse) d = riêng (Dedicated) c = chung (Common) t = lưu lượng (Traffic) m= điều khiển truy nhập phương tiện(MAC) s = báo hiệu (Signalling) Hình 4.8 Quy ước đặt tên kênh logic Một kênh vật lý được biểu thị bằng chữ cái hoa viết tắt (hình 4.9). Chữ cái đầu tiên trong tên kênh chỉ thị hướng của kênh Ký hiệu kênh Kênh vật lý F/R-FCH Kênh cơ bản đường lên/xuống Forward/Reverse Fundanmetal Channel F/R-SCCH Kênh mã bổ sung đường lên/xuống Forward/Reverse Supplemental Code Channel F/R-SCH Kênh bổ sung đường lên/xuống Forward/Reverse Supplemental Channel F/R-DCCH Kênh dành riêng đường lên/xuống Forward/Reverse Dedicated Control Channel F-PCH Kênh nhắn tin đường xuống Forward Paging Channel R-ACH Kênh truy nhập đường lên Reverse Access Channel R-EACH Kênh truy nhập tăng cường đường lên Reverse – Enhanced Access Channel F/R-CCCH Kênh điều khiển chung đường lên/xuống Forward/Reverse Common Control Channel F-DAPICH Kênh hoa tiêu phụ dành riêng đường xuống Forward Dedicated Auxiliary Pilot Channel F-APICH Kênh hoa tiêu phụ đường xuống Forward Auxiliary Pilot Channel F/R-PICH Kênh hoa tiêu đường lên/xuống Forward/Reverse Pilot Channel F-SYNC Kênh đồng bộ đường xuống Forward Syschnchronous Channel F-TDPICH Kênh hoa tiêu phân tập phát đường xuống Forward Transmit Diversity Pilot Channel F-ATDPICH Kênh hoa tiêu phân tập phát phụ đường xuống Forward Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channel F-BCCH Kênh quảng bá đường xuống Forward Broadcast Control Channel F-QPCH Kênh nhắn tin nhanh đường xuống Forward Quick Paging Channel F-CPCCH Kênh điều khiển công suất chung đường xuống Forward Common Power Control Channel F-CACH Kênh ấn định chung đường xuống Forward Common Assignment Channel Hình 4.9 Quy ước đặt tên kênh vật lý 4.4.2 Các kênh logic được PLICF sử dụng Kênh lưu riêng lượng (f/r-dtch) dtch là kênh logic đường lên hoặc đường xuống được sử dụng để mang số liệu của người sử dụng. Đây là kênh logic điểm-đến-đa