nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng wll cdma tần số 450mhz

1 nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz
Information
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ
1.2 Mã trải phổ
1.2.1 Các mã Walsh
1.2.2 Các mã PN
1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp
1.3.1 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
1.3.2 ảnh hưởng của đường truyền tới hệ thống CDMA
1.3.2.1 Phân tích đường truyền sóng
1.3.2.2 Hiện tượng che tối
1.3.2.3 Fading Rayleigh đa đường
1.3.2.4 Trễ đa đường
1.3.3 Các phương pháp mã hóa
1.3.3.1 Mã hóa nguồn
1.3.3.2 Mã hóa kênh
1.3.3.3 ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS
1.3.3.4 ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS
1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA
Chương II. Dung lượng và đường truyền CDMA
2.1 Dung lượng của hệ thống CDMA
2.1.1 Dung lượng của một cell đơn
2.1.2 Hiệu ứng của tải
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại
2.1.5 Kết luận
2.2 Đường truyền trong CDMA

2.2.1 Đường truyền bất đối xứng
2.2.2 Đường xuống
2.2.2.1 Kênh Pilot
2.2.2.2 Kênh đồng bộ
2.2.2.3 Kênh tìm gọi
2.2.2.4 Kênh lưu lượng
2.2.2.5 Bộ điều chế
2.2.3 Đường lên
2.2.3.1 Kênh truy nhập
2.2.3.2 Kênh lưu lượng
2.3 ảnh hưởng của nhiễu tới kênh truyền cDMA
2.3.1 Kênh pilot
2.3.2 Kênh lưu lượng đường xuống
2.3.3 Kênh lưu lượng đường lên
Chương III. mạng WLL CDMA 20001x
3.1 Cấu hình mạng
3.2 Các yêu cầu hệ thống
Kết luận
1
Danh mục tài liệu tham khảo
LUẬN ÁN THẠC SỸ

nghiªn cøu c«ng nghÖ vµ kh¶ n¨ng øng dông m¹ng WLL CDMA tÇn sè 450MHz
2
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6
Mở đầu 7
1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ 8
1.2 Mã trải phổ 9

1.1.1 Các m Walshã 10
1.1.2 Các m PNã 11
1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp13
1.1.3 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
16
1.1.4 ảnh hởng của đờng truyền tới hệ thống CDMA17
1.1.4.1Phân tích đờng truyền sóng 17
1.1.4.2Hiện tợng che tối 20
1.1.4.3Fading Rayleigh đa đờng 21
1.1.4.4Trễ đa đờng 23
1.1.5 Các phơng pháp m hóaã 25
1.1.5.1Mã hóa nguồn 26
1.1.5.2Mã hóa kênh 29
1.1.5.3ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS
34
1.1.5.4ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS 36
1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA 40
Chơng II. Dung lợng và đờng truyền CDMA 41
2.1 Dung lợng của hệ thống CDMA 41
2.1.1 Dung lợng của một cell đơn 41
2.1.2 Hiệu ứng của tải 42
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa 44
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại 46
2.1.5 Kết luận 46
2.2 Đờng truyền trong CDMA 47
2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng 47
2.2.2 Đờng xuống 47
2.2.2.1Kênh Pilot 47
2.2.2.2Kênh đồng bộ 48
2.2.2.3Kênh tìm gọi 50

2.2.2.4Kênh lu lợng 54
2.2.2.5Bộ điều chế 56
2.2.3 Đờng lên 57
2.2.3.1Kênh truy nhập 57
3
2.2.3.2Kênh lu lợng 60
2.3 ảnh hởng của nhiễu tới kênh truyền cDMA 61
2.3.1 Kênh pilot 61
2.3.2 Kênh lu lợng đờng xuống 63
2.3.3 Kênh lu lợng đờng lên 64
Chơng III. mạng WLL CDMA 20001x 65
3.1 Cấu hình mạng 65
3.2 Các yêu cầu hệ thống 68
Kết luận 76
Danh mục tài liệu tham khảo 76
4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
MSC Mobile Switching center Trung tâm chuyển mạch di động
BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc
BS Base Station Trạm gốc
CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
Convolutional Code Mã xoắn
Data Burst Randomizer Ngẫu nhiên hóa cụm số liệu
DL Downlink Đờng xuống
Eb Năng lợng bít thông tin
ERP Effective Radiated Power Công suất phát xạ hiệu dụng
IMT-

2000
International Mobile
Telecommunications
Các tiêu chuẩn viễn thông di động
toàn cầu 2000
IS95
CDMA
95
Interim Standard 95 Chuẩn thông tin di động CDMA
của Mỹ (do Qualcom đề xuất)
Long Code PN Chuỗi PN mã dài chu kỳ 2
42
1
MS Mobile Station Máy di động
DS-SS Direct Squence Spread
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
5
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ
6
Mở đầu
Trong những năm gần đây, thông tin di động đã và đang đợc triển khai với các công
nghệ khác nhau ở nhiều quốc gia, mạng viễn thông ngày càng trở nên phức tạp có xu
hớng hội tụ nhiều công nghệ dịch vụ mới, đem lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai
thác và lợi ích cho ngời tiêu dùng, thúc đẩy các ngành kinh tế khác cùng phát triển.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng cao, mạng thông tin di động
mới ra đời phải có nhiều u điểm nổi bật và không ngừng đợc cải tiến về kĩ thuật. Yếu
tố mà ngời sử dụng di động quan tâm là vùng phủ sóng và chất lợng mạng. Hiện nay
hai mạng Vinaphone và Mobilphone đang sử dụng công nghệ GSM 2.5 vẫn cha đáp
ứng đợc hai yêu cầu này. Số lợng thuê bao di động tăng trởng quá nhanh trong những

năm qua đã vợt quá khả năng phục vụ của hai mạng này, gây ra nghẽn mạch thờng
xuyên, chất lợng cuộc gọi kém. Với dân số hơn 80 triệu dân, tỉ lệ sử dụng di động
hiện nay còn thấp, thì nhu cầu sử dụng di động còn tăng trong một những năm tới.
Mạng di động mới ra đời vào thời điểm này là thích hợp. Việc ứng dụng công nghệ
CDMA đang đợc nhiều nớc quan tâm vì khả năng chống nhiễu, bảo mật và dung lợng
cũng nh chất lợng mạng tốt hơn nhiều so với công nghệ GSM. Điều này sẽ thu hút
nhiều ngời sử dụng đem lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác mặt khác ngời tiêu
dùng có nhiều khả năng lựa chọn dịch vụ di động thích hợp cho bản thân, phá vỡ sự
độc quyền tạo ra sự cạnh tranh lành mạnh giữa các doanh nghiệp kinh doanh thông
tin di động.
Việc nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số
450MHz là một vấn đề cấp thiết trong thời đại bùng nổ thông tin ngày nay. Thực tế đã
chứng minh sự thành công của mạng di động sử dụng công nghệ CDMA ở Hàn Quốc,
Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, và xu h ớng này đã trở thành hớng phát triển mạng
thông tin di động thế hệ tiếp theo 3, 4.
7
Chơng I. Tổng quan về kĩ thuật trải phổ và Công nghệ CDMA
1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ
Kĩ thuật trải phổ sử dụng một băng tần truyền dẫn có độ rộng lớn hơn nhiều lần băng
tần cần thiết cho việc truyền dữ liệu. Mục đích chống nhiễu cao, và bảo mật thông tin
qua việc trải phổ tín hiệu nhằm làm cho nó không thể phân biệt đợc từ nền nhiễu,
giảm đợc mật độ năng lợng. Kí hiệu
ss
là độ rộng phổ tần trải phổ (Hz) và
d
là độ
rộng phổ tần nén phổ (tốc độ dữ liệu (bít/second)) thì tỉ số
ss
/
d

đợc gọi là hệ số trải
phổ hoặc tăng ích xử lý, hệ số trải phổ này có giá trị từ 100 đến 1000000 tức là từ 20
dB đến 60dB.
Hình 1. Băng tần trải phổ ở phía thu và phát
Có 3 tiêu chuẩn bắt buộc đối với hệ thống trải phổ:
Có bề rộng phổ lớn hơn nhiều so với bề rộng phổ cần thiết để truyền tín hiệu.
Việc mở rộng phổ dựa vào tín hiệu đặc biệt gọi là mã trải phổ, hoàn toàn độc lập với
dữ liệu.
Phía thu dựa vào bản sao của mã trải phổ để nén phổ trở lại nh phổ ban đầu.
Bản chất của mã trải phổ: đó là một dãy bít ngẫu nhiên tuần hoàn có chu kì tơng đối
lớn và thỏa mãn các tiêu chẩn ngẫu nhiên. Với đối tác thì hoàn toàn xác định còn đối
với bên ngoài thì thâm nhập vào dãy ở một thời điểm nào đó là hoàn toàn ngẫu nhiên
vì vậy mà gọi dãy mã này là giả ngẫu nhiên (pseudo-random, giả tạp âm: PN- pseudo-
noise).
Do những đặc điểm trên mà hệ thống trải phổ có 4 u điểm chính:
Chống nhiễu phá: nhiễu thâm nhập vào tín hiệu có ích, bị trải phổ trong bớc nén phổ
có ích, làm mật độ năng lợng nhiễu giảm mạnh tỉ lệ với hệ số trải phổ.
Giảm mật độ năng lợng của tín hiệu phát theo độ tăng ích xử lý
Khả năng bị thu trộm thấp khi hệ số trải phổ tăng.
Mở ra phơng thức phân đờng mới (theo mã) cho phép nhiều ngời sử dụng đồng thời
dùng chung một băng tần và ở trong cùng một vùng địa lý, tỉ lệ với hệ số trải phổ.
Nhiễu phá
(Jamming)
Tín hiệu có
ích


ss
Phía
phát

Tín hiệu có
ích
Nhiễu phá


ss
Phía
thu

d
8
Để đánh giá ảnh hởng của tạp âm đến chất lợng của một hệ thống thông tin ngời ta th-
ờng sử dụng hai tham số: tỉ số tín/tạp âm (S/N) và xác xuất lỗi (PE). Nâng cao tỉ số
S/N với một mức tạp âm cho trớc có thể thực hiện bằng 3 cách sau:
Tăng công suất tín hiệu: cách này bị hạn chế bởi ảnh hởng đến hệ thống thông tin
khác, đồng thời nó còn khả năng kĩ thuật, công nghệ chế tạo thiết bị không cho phép
công suất lớn.
Tăng độ dài tín hiệu: nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống. Nhng biện
pháp này gây ra sự suy giảm tốc độ truyền tín hiệu.
Trải rộng phổ tín hiệu nhằm triệt nhiễu: ở đầu phát sử dụng mã trải phổ có độ rộng
băng lớn điều chế với thông tin cần truyền đi, vì thế tín hiệu sau điều chế có độ rộng
băng thông đợc trải rộng ra xấp xỉ bằng băng thông của mã trải phổ. ở đầu thu, ngoài
tín hiệu trải phổ thu đợc còn có các tín hiệu không mong muốn gọi chung là nhiễu.
Tại đầu thu thực hiện nén phổ đối với tín hiệu cần thu, còn đối với các tín hiệu khác
thì đó là quá trình trải phổ. Do đó sau khi giải điều chế thì mật độ phổ tín hiệu cần thu
sẽ tăng cao, còn mật độ phổ của nhiễu bị giảm nhiều do bị trải phổ, sử dụng bộ lọc để
loại bỏ nhiễu lấy tín hiệu hữu ích.
1.2 Mã trải phổ
Theo cách truyền thống, tín hiệu đa truy nhập đợc phân chia theo thời gian (TDMA)
hoặc đợc phân chia theo tần số (FDMA) thì thực hiện tơng đối đơn giản để đảm bảo

các tín hiệu là trực giao và không gây nhiễu. Nhng trong đa truy nhập phân chia theo
mã (CDMA), tín hiệu của nhiều ngời dùng chiếm cùng băng thông ở cùng thời gian
nhng đợc phân biệt bằng các chuỗi mã trực giao. Hai dạng sóng có giá trị thực x và y
đợc gọi là trực giao nếu tơng quan chéo của chúng R
xy
(0) trong khoảng T bằng 0,
nghĩa là:
Trong miền rời rạc, hai chuỗi x và y là trực giao nếu tích chéo (Cross product)
R
xy
(0)=0 nghĩa là:
R
xy
(0) = X
T
Y= x
i
y
i
Với X
T
=[x
1
,

x
2
, .x
I
]

Y
T
= [y
1
,

y
2
, .y
I
]
Ví dụ ta xét hai chuỗi
Hai chuỗi này là trực giao bởi vì tơng quan chéo của nó bằng 0:
Để một bộ mã đợc sử dụng trong sơ đồ đa truy nhập thì chúng cần có thêm hai thuộc
tính nữa đó là: mỗi mã trong bộ mã trực giao cần có một số bít 1 và bít -1 tơng đồng,
đây là thuộc tính tự nhiên của mã giả ngẫu nhiên, và tích điểm của mỗi mã (dot
product) bằng 1 ( tích điểm là trung bình tổng của tích chính mỗi phần tử tơng ứng/
bậc của mã)
9
Xét hai mã trực giao x và y ở trên ta thấy cả x và y đều có số bít 1 và -1 bằng nhau và
các tích điểm là:
(X
T
X)/4= (-1)(-1)+ (-1)(-1)+ (1)(1)+ (1)(1)=4/4=1
(Y
T
Y)/4= (-1)(-1)+ (-1)(-1)+ (1)(1)+ (1)(1)=4/4=1
Tóm lại các thuộc tính của bộ mã trực giao đợc sử dụng trong đa truy nhập trải phổ là:
Tơng quan chéo bằng 0 hoặc rất nhỏ (thể hiện tính trực giao)
Mỗi chuỗi trong bộ mã có tổng số bít 1 và -1 bằng nhau hoặc khác nhau nhiều nhất là

một đơn vị
Tích điểm của mỗi mã bằng 1
1.1.1 Các mã Walsh
Mã Walsh đợc sử dụng để phân biệt cho những ngời dùng khác nhau sử dụng chung
băng tần RF ở đờng xuống. Mã Walsh đợc sử dụng trong IS95 CDMA là một bộ
chuỗi mã trực giao 64.
Chuỗi Walsh đợc tạo bởi ma trận Hadamard. Dùng tính chất đệ quy để tạo ra các ma
trận Hadamard lớn từ các ma trận Hadamard bé hơn:
Với là ma trận nghịch đảo của H
N
. Ma trận gốc là:
Để tạo ra một bộ 4 chuỗi Walsh trực giao w
0
, w
1
, w
2
, w
3
chúng ta chỉ cần tạo một ma
trận Hadamard bậc 4 là:
Bốn chuỗi trực giao trong bộ mã Walsh này đợc lấy ra từ 4 hàng của ma trận H
4
đó là:
Các mã này đều thỏa mãn 3 điều kiện cần thiết đã nêu.
Bằng việc thay đổi các số 0 thành 1 trong bốn chuỗi trên ta có:
10
Biểu thức H
2N
có thể đợc sử dụng đệ quy để tạo ra các ma trận Hadamard có bậc cao

hơn để tạo đợc một bộ lớn chuỗi trực giao. Ví dụ để tạo 8 chuỗi trực giao, mỗi chuỗi
có độ dài 8 có thể đạt đợc bằng ma trận H
8
.
IS95 CDMA đờng xuống sử dụng một bộ chuỗi Walsh trực giao 64, vì vậy giới hạn
vật lý đờng xuống là 63 kênh vì w
0
không đợc sử dụng để phát thông tin băng tần gốc.
Ví dụ tạo ma trận H
8
:
Kết quả có 8 mã walsh đợc tạo ra là:
1.1.2 Các mã PN
Đờng xuống IS95 CDMA có các kênh đồng bộ và pilot để trợ giúp việc đồng bộ, nhng
đờng lên không có các kênh này do đó việc đồng bộ rất khó khăn. MS phát tùy ý và
không có sự đồng bộ về truyền dẫn, vì thế mã Walsh không thể đợc sử dụng cho đờng
lên. Bản chất của đờng lên đòi hỏi sử dụng một loại mã khác gọi là mã PN.
11
Tạo mã PN bằng bộ ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (xem hình 1.2). Các bít đợc dịch
qua các tầng khác nhau của thanh ghi dịch. Đầu ra của tầng sau cùng cho ra các bít
của mã PN
Hình 1. Mô tả thanh ghi tạo mã PN
Giả sử trạng thái đầu là (1,0,1) thì kết quả sẽ cho ra nh sau:
Đầu ra của thanh ghi dịch là một dãi các bít là dạng mã PN có chu kì là 7
Mã đợc tạo ra theo cách này có độ dài lớn nhất là:
N là số tầng hay bậc của thanh ghi dịch. Trờng hợp xét là N=3 sẽ cho độ dài mã là 7.
Một bộ mã PN gồm 7 mã có thể đợc tạo ra bằng cách dịch P và thay giá trị 0 thành
1 ta đợc:
12
Các mã này thỏa mãn 3 điều kiện của mã đa truy nhập DS- SS đã nêu.

1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp
Hình 1.3 minh họa nguyên lý của một sơ đồ đa truy nhập trải phổ trực tiếp. Chúng ta
xét hai tín hiệu của hai ngời dùng khác nhau cùng phát đồng thời hai bản tin riêng
biệt, m
1
(t) và m
2
(t) cùng phát ở một băng tần và cùng thời gian. Hai bản tin này đợc
nhân tơng ứng với hai mã trực giao c
1
(t) và c
2
(t) chính là 2 mã trực giao x và y đã đợc
đề cập ở phần trớc. Kết quả tích số đợc đa vào bộ cộng và đợc phát vào kênh truyền.
Hình 1. Nguyên lý DS-SS
Trong trờng hợp này chúng ta giả định rằng có sự đồng bộ hoàn toàn ở máy thu. Nếu
các lỗi không đáng kể ở kênh truyền thì các bản tin
m
~
1
(t) và
m
~
2
(t) sẽ tơng ứng với
các bản tin m
1
(t) và m
2
(t). Giả sử bản tin m

1
là (+1 1 +1) và m
2
là (+1 +1 1).
Hình 1.4 mô tả dạng sóng và phổ của hai bản tin m
1
(t) và m
2
(t), hai mã trực giao c
1
(t)
và c
2
(t) và hai bản tin đợc trải phổ m
1
(t)c
1
(t) và m
2
(t)c
2
(t).Từ hình vẽ cho thấy sự khác
biệt giữa T
b
và T
c
(T
b
là chu kỳ bít (tính theo giây) của bản tin và T
c

là chu kỳ của một
chíp của mã trực giao). Trong ví dụ này tốc độ chíp (1/T
c
) của mã trực giao gấp 4 lần
tốc độ bít (1/T
b
). Vì thế chúng ta có hệ số mở rộng băng tần là 4.
Hệ số mở rộng băng tần đôi khi đợc gọi là độ lợi xử lý W/R với W là băng thông của
bản tin sau khi trải phổ và R là độ rộng băng của bản tin băng tần gốc. W tơng đơng
13
với 1/T
c
, R tơng đơng với 1/T
b
, với tính toán trên cho thấy độ lợi xử lý là 4 hay 6 dB.
Băng tần sau khi trải phổ bằng các mã trực giao thì có độ rộng lớn hơn băng tần bản
tin gốc.
Hình 1. Dạng sóng và phổ của các tín hiệu
Hình 1.5 chỉ ra các dạng sóng ở các điểm thu khác nhau trên hình 1.3. Tín hiệu ở
điểm A là tín hiệu kết hợp của tổng hai bản tin trải phổ. Để thu đợc 2 bản tin riêng
biệt từ phổ kết hợp, ta nhân bản tin kết hợp này với hai mã trực giao tơng ứng để đợc
hai tín hiệu riêng biệt ở B1 và B2.
Hình 1.6 chỉ ra tín hiệu ở các điểm C1 và C2 trong hình 1.3, đầu ra
m
~
1
(t) và
m
~
2

(t) của
ngỡng ra quyết định và bản tin
m
~
1
(t) và
m
~
2
(t) đợc phục hồi.
14
H×nh 1. D¹ng tÝn hiÖu ë c¸c ®iÓm thu A, B1 vµ B2
H×nh 1. D¹ng tÝn hiÖu ë ®Çu ra C1 vµ C2
15
Bộ tích phân đợc lấy trên các khoảng chu kì bít T
b
của bản tin băng tần gốc và quyết
định chọn ngỡng dựa trên đầu ra của bộ tích phân cho tín hiệu -1 hay +1. Nếu đầu ra
bộ tích phân lớn hơn 0 thì quyết định chọn bít +1 ngợc lại chọn 1. Qua bộ biến đổi
D/A cho ra tín hiệu tơng tự ở đầu ra giống với tín hiệu ban đầu.
Ví dụ đa ra ở trên chỉ là minh họa nguyên lý đa truy nhập DS-SS. Tuy nhiên trong
thực tế đặc biệt trong môi trờng thông tin di động có nhiều hiện tợng làm giảm chất l-
ợng của một hệ thống đa truy nhập DS-SS. Đó là hiện tợng gần xa và vấn đề tơng
quan phần tử.
Trong thông tin di động, có những MS ở gần trạm thu phát gốc (BS) hơn những MS
khác. Nếu các MS phát cùng công suất thì BS sẽ thu đợc công suất của các MS ở gần,
lớn hơn các MS ở xa BS . Mặt khác tất cả các MS đang phát ở cùng băng tần nên công
suất thu đợc ở các MS ở vị trí gần BS sẽ làm nhiễu mạnh đến toàn bộ hệ thống. Đây
chính là hiện tợng gần xa, để chống lại hiện tợng này thì sử dụng biện pháp điều
khiển công suất để cho công suất thu các tín hiệu của MS ở các vị trí khác nhau thì

đều bằng nhau tại BS.
Vấn đề thứ hai là tơng quan phần tử, khi không có sự đồng bộ của các máy phát dùng
chung băng tần.Thậm trí khi các máy phát đợc đồng bộ nhng vẫn có hiện tợng trễ
truyền sóng gây ra sự lệch pha. Chúng ta xem xét ví dụ hai mã trực giao hoàn toàn khi
chúng không lệch pha:
Tuy nhiên nếu y
i
bị trễ 1 chíp do truyền sóng trong di động thì sẽ có
Ta dễ dàng thấy hai chuỗi này không trực giao nhau. Nh vậy nếu các mã không trực
giao nhau vì do không đợc đồng bộ hoặc do trễ truyền sóng thì các bản tin đa truy
nhập ở cùng băng tần có thể không thể tách riêng ra khỏi tín hiệu tổng hợp. Kết quả
dẫn đến xuyên âm tơng quan và gây nhiễu lẫn nhau. Nh vậy một yêu cầu cần thiết nữa
là:


=+


T
dttytx
0
0)()(



=+
T
T
dtTtytx

0)()(
Vì thế tính trực giao đơn giản giữa hai chuỗi mã là vẫn cha đủ cho hệ thống DS-SS. Sự
tơng quan phần tử của hai chuỗi mã ở trên cần phải bằng không hoặc có giá trị rất bé
đối với bất cứ giá trị nào phù hợp với hệ thống.
1.1.3 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
Trớc hết, một hệ thống CDMA có thể dễ dàng thực hiện đợc việc truyền tiếng nói của
con ngời. Trong lúc đàm thoại giữa hai ngời thì thời gian thực tế đàm thoại mỗi bên
chiếm ít hơn nửa thời gian. Trong thời gian im lặng, các máy phát có thể thực sự
ngừng phát để giảm công suất nhiễu ở kênh truyền. Sự giảm công suất nhiễu này làm
tăng độ lợi dung lợng của hệ thống. Về mặt lý thuyết các hệ thống TDMA và FDMA
cũng có thể làm đợc việc này qua phép thống kê thoại, nhng thực tế thì khó khăn hơn
nhiều vì các nguồn vô tuyến là các kênh FDMA hoặc các khe thời gian TDMA cần
phải đợc phân bổ động theo thời gian thực thông qua cơ sở hạ tầng mạng.
16
Sự thuận lợi thứ hai đối với CDMA là các kênh vật lý RF có thể đợc sử dụng lại ở mọi
cell, vì vậy hệ số sử dụng lại tần số gần bằng 1. Trong một hệ thống AMPS thông th-
ờng, phổ tần sẵn có đợc chia thành các khoanh (chunks) và đợc ấn định cho các cell
khác nhau. Những tần số đồng kênh không đợc sử dụng cho các cell lân cận để tránh
giao thoa. Mẫu sử dụng tần số chẳng hạn N=7 nghĩa là phổ tần đợc chia làm 7 khoanh
và ấn định cho 7 cell khác nhau. Khoanh có tần số tơng tự đợc tái sử dụng ở một cell
khác có khoảng cách nhất định để tránh giao thoa. Do vậy, số kênh/cell bị giảm đi do
hệ số sử dụng lại tần số. Việc sử dụng lại tần số đợc tăng nên nếu dùng biện pháp
sector hóa. Ngợc lại trong CDMA, các kênh vật lý giống nhau đợc sử dụng ở mọi cell,
nhng cũng gây ra nhiễu đồng kênh. Xét ở đờng xuống (từ BS xuống MS), mỗi MS ở
một cell nào đó bị nhiễu do chính cell đó gây ra và do các cell lân cận gây ra. ở đờng
lên (từ MS lên BS), mỗi cell bị nhiễu bởi các MS trong cell đó và các MS ở cell lân
cận. Thật khó để phân tích đánh giá lợng nhiễu đồng kênh xảy ra trong CDMA vì
nhiễu phụ thuộc vào các yếu tố nh sự phân bố và số lợng các MS và địa hình. Tuy
nhiên, không cần phải quy hoạch tần số trong CDMA là một thuận lợi trong tính toán

thiết kế RF.
Điều thuận lợi thứ 3 đó là khả năng của CDMA giảm đợc méo đa đờng. Nếu méo đa
đờng đợc xác định trớc theo thời gian thì có thể loại bỏ một cách hiệu quả thông qua
việc cân bằng thích ứng. Mặt khác nếu nó biến đổi liên tục theo thời gian ở môi trờng
di động thì khó làm thích nghi nhanh đợc. Kết quả méo đa đờng thờng gây tác hại xấu
trong hệ thống băng hẹp, nhng sẽ ít bị ảnh hởng ở tín hiệu băng rộng trải phổ. Hơn
nữa trong hệ thống CDMA có thể dùng các bộ thu quét (rake), tất cả các tín hiệu đi
theo các đờng truyền khác nhau đợc điều chế và đợc sử dụng.
1.1.4 ảnh hởng của đờng truyền tới hệ thống CDMA
1.1.4.1 Phân tích đờng truyền sóng
Tỉ số C/N
Bất kỳ hệ thống thông tin nào, chúng ta cũng cần phải xem xét thông số quan trọng là
tỉ số sóng mang trên tạp âm (C/N) ở máy thu. Đây là thông số tổng quát chung cho
các hệ thống thông tin. Thông số này cho ta biết công suất tín hiệu đợc so sánh với
công suất tạp âm qua kênh truyền là bao nhiêu, vì thế C/N có thể đợc coi là hệ số
phẩm chất của hệ thống thông tin. Công thức đờng truyền đợc tính toán nh sau:
)1.2(
).(
N
GLERP
N
C
rP
=
L
p
là suy hao truyền sóng trên kênh truyền
G
r

là độ lợi anten thu
N là công suất tạp âm hiệu dụng
ERP= P
t
L
c
G
t
: công suất phát xạ hiệu dụng (Effective Radiated Power) từ anten phát.
P
t
là công suất phát ra ở bộ khuếch đại công suất của máy phát
L
c
là suy hao cáp giữa bộ khuếch đại công suất và anten phát
G
t
là độ lợi anten phát
N= kTW; với k =1,38. 10
-23
W/Hz/K hay bằng 228.6 dBW/Hz/K
T là nhiệt độ tạp âm của máy thu
17
W là độ rộng băng tần phát (Hz)
Tỉ số C/I
Thông số C/I tơng tự nh C/N nhng ở đây nó là tỉ số sóng mang/ nhiễu, nó chỉ khác ở
phần mẫu số, giá trị I không chỉ có công suất tạp âm nhiệt mà còn có công suất nhiễu
từ các nguồn khác nhau. Trong thông tin di động tỉ số C/ I đợc sử dụng phổ biến hơn
bởi nó cho biết cả ảnh hởng của nhiễu đợc tính vào. Từ công thức (2.1) ta thấy, chất l-
ợng truyền dẫn phụ thuộc vào các thông số: độ lợi anten thu phát, công suất phát, và

nhiệt độ tạp âm máy thu. Những thông số này đợc ngời thiết kế tính toán tối u. Tuy
nhiên, giá trị về suy hao đờng truyền nằm ngoài khả năng của ngời thiết kế.
Suy hao đờng truyền
Suy hao truyền sóng là sự suy giảm của tín hiệu khi truyền từ phía phát đến phía thu.
Có nhiều mô hình truyền sóng để tính toán mức suy hao nhng tất cả đều dựa vào
thông số chính là khoảng cách từ máy phát đến máy thu. Nói cách khác suy hao
truyền sóng phụ thuộc lớn vào khoảng cách giữa thu- phát. Những ảnh hởng khác
cũng đợc tính toán thêm. Ví dụ trong thông tin vệ tinh ảnh hởng của khí quyển, hấp
thụ do ma có ảnh hởng lớn đến việc xác định công suất tín hiệu thu. ở đây xem xét ba
mô hình truyền sóng cơ bản; truyền sóng trong không gian tự do, mô hình Lee, và mô
hình Hata.
1. Mô hình truyền sóng trong không gian tự do
Trong không gian tự do, các sóng điện từ bị suy giảm theo một hàm nghịch đảo bình
phơng đối với khoảng cách giữa thu- phát. Dạng biểu thức tuyến tính ta có:
)4.2(
2
2
4
d
p
L


=
là bớc sóng của tín hiệu
Tính theo dB ta có:
L
p
= -32,4-20log(f)-20log(d) (2.5)
d[km], f[Hz], L

p
[dB], tốc độ tín hiệu bằng vận tốc ánh sáng c=f
Các số hạng thứ nhất và thứ hai ở (2.5) là hằng số còn lại L
p
phụ thuộc vào d nếu
chúng ta vẽ đồ thị của biểu thức trên ở dạng Log thì độ dốc của đờng cong sẽ là
-20dB/decade.
Mô hình không gian tự do đợc dựa trên khái niệm trải rộng hình cầu wave front là tín
hiệu phát xạ từ một nguồn điểm trong không gian. Nó chủ yếu đợc ứng dụng trong
thông tin vệ tinh. Còn đối với hệ thống thông tin di động, nơi mà suy hao do trớng
ngại vật trên mặt đất và các suy hao khác thì cần các mô hình khác để việc tính toán
suy hao trở nên chính xác hơn.
2. Mô hình Lee
Truyền sóng trong thông tin mặt đất thì ảnh hởng xấu hơn trong môi trờng tự do bởi
thờng có các trớng ngại vật giữa BS và MS. Kết quả thu đợc các tín hiệu đi theo các h-
ớng trực tiếp hoặc gián tiếp. Tín hiệu trực tiếp là các tín hiệu trên đờng nhìn thẳng
18
(LOS) và tín hiệu gián tiếp là bao gồm các tín hiệu phản xạ, khúc xạ từ các vật thể
( nhà cửa, cây cối, đồi núi) giữa máy phát và máy thu. Mô hình Lee đa ra công thức đ-
ợc ứng dụng cho tần số cellular:
84,3
2
13
10.14,1
d
h
p
L

=

d là khoảng cách giữa máy thu- phát
h là độ cao anten BS
Dới dạng dB biểu thức trở thành:
L
p
= -129,45-38,4log(d
[km]
)+ 20log h
[m]
độ dốc là -38,4 dB/decade
3. Mô hình Hata
Mô hình Hata đợc ứng dụng trong truyền sóng thông tin di động mặt đất. Mô hình
này đợc dựa trên những thực nghiệm có phạm vi ứng dụng ở môi trờng đô thị. Tính
theo đơn vị dB ta có:
Với các giá trị của K nh sau:
K
1
=69,55 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz
K
1
=69,55 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz
K
2
=26,16 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz
K
2
=33,9 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz
f là tần số sóng mang tính theo MHz
h
b

là độ cao anten BS tính bằng mét
h
m
là độ cao của MS tính bằng mét
d là khoảng cách tính theo Km từ BS đến MS
Các tham số này chỉ áp dụng cho:
h
b
có giá trị từ 30 mét đến 200 mét
h
m
có giá trị từ 1m đến 10 mét
d có giá trị từ 1Km đến 20 Km
Nếu vẽ đồ thị của biểu thức suy hao đờng truyền ở trên thì độ dốc là -[44,9-6,55log
(h
b
)] dB/decade
a(h
m
)= [ 1,1 log(f)- 0,7]h
m
- [1,56 log(f) 0,8] và K
0
=0 cho môi trờng đô thị thông
thờng
a(h
m
)= 3,2 [log (11,75h
m
)]

2
4,97 và K
0
= 3 dB cho môi trờng đô thị đông đúc
19
Hình 1. Suy hao đờng truyền của các mô hình truyền sóng
(Độ cao BS là 30 mét, sóng mang có tần số 881,5 MHz, độ cao của MS là 1.5 mét
trong môi trờng đô thị thông thờng)
Kết luận; Tất cả các mô hình truyền sóng đều có thể đợc viết theo một công thức
chung;
L
p
=-L
0
- log (d)
L
0
là hằng số còn là độ dốc
Độ dốc là một hệ số chỉ ra công suất tín hiệu bị giảm nh thế nào theo hàm khoảng
cách, ở hình 1.7 chỉ ra ba mô hình truyền sóng: môi trờng tự do, Lee, Hata độ dốc t-
ơng ứng của các mô hình này là: -20dB/decade, -38,4dB/decade,-35,2dB/decade
Các mô hình này là những dự báo có độ chính xác thay đổi từ 6 đến 8 dB khi so sánh
với các số đo về trờng.
Độ chính xác có thể tăng nên bằng việc tích hợp các kết quả đo trờng với mô hình. Ví
dụ trong thực tế lấy các số đo trờng và tính toán độ dốc của mô hình đợc sử dụng khi
biết chắc chắn khoảng cách từ BS đến MS.
Hạn chế của ba mô hình này là không thể ớc tính cho các vùng MicroCell, vùng phủ
sóng microcell có khoảng cách rất gần BS thờng thì nhỏ hơn 1 dặm. Vì thế khi tính
toán cần có các mô hình microcell chuyên nghiệp khác để sử dụng.
1.1.4.2 Hiện tợng che tối

Công suất tín hiệu ở đờng truyền trực tiếp suy giảm tơng đối chậm khi MS di chuyển
xa BS. Nhng khi MS đi ra xa BS thì có những chớng ngại vật chắn đờng truyền sóng
trực tiếp ( nh nhà cửa, cây cối, xe cộ, ) thờng gây ra sự suy giảm công suất thu. Sự
suy giảm này gây ra ở nhiều bớc sóng mang và gọi là fading chậm, ảnh hởng của che
tối cờng độ tín hiệu thay đổi chậm. Đôi khi ngời ta gọi fading này là fading chuẩn
loga, vì fading chậm đợc thực hiện theo mô hình phân phối log-normal với công suất
trung bình và độ lệch chuẩn. Vùng giảm tín hiệu đợc gọi là chỗ trũng fading. Thời
gian giữa hai trũng fading thờng vài giây nếu MS đợc đặt trên xe di động. Ta có thể
20
hình dung fading chậm là sự biến đổi công suất chậm ở đỉnh của giá trị trung bình, sự
thay đổi này đợc mô tả bằng phân bố xác xuất log_normal.
Lý do mà fading chậm đợc phân bổ theo log-normal là vì tín hiệu thu đợc là kết quả
tín hiệu đợc phát đi qua các chớng ngại vật hoặc bị phản xạ từ các chớng ngại vật nh
cây cối, nhà cửa, Mỗi chớng ngại vật làm suy giảm tín hiệu đến một mức độ nào đó,
và cuối cùng công suất tín hiệu thu đợc là tổng của các hệ số truyền dẫn của tất cả các
chớng ngại vật này. Kết quả, log của tín hiệu thu đợc bằng tổng của một số lợng lớn
các hệ số truyền dẫn tính theo dB. Vì các hệ số là quá lớn nên giới hạn tập trung phân
bố của tổng này theo hàm Gaussian
1.1.4.3 Fading Rayleigh đa đờng
Khi MS ở ngoài tầm nhìn thẳng của BS ( chẳng hạn không có đờng tín hiệu đi đến
máy thu qua đờng nhìn thẳng LOS). Trong trờng hợp này, các tín hiệu đợc thu từ một
nhóm tín hiệu phản xạ từ các vật thể, và không có bất cứ đờng phản xạ nào có tín hiệu
mạnh lấn át các đờng phản xạ khác. Các đờng tín hiệu phản xạ khác nhau đến máy
thu ở các thời gian khác nhau đôi chút, với các biên độ khác nhau và pha cũng khác
nhau.
Lý thuyết và thực nghiệm đã xác định rằng, hình bao của một tín hiệu sóng mang thu
đợc ở MS đợc phân bố Rayleigh. Vì thế loại fading này đợc gọi là fading Rayleigh.
Mô hình lý thuyết đợc kiểm nghiệm bằng thực tế cho rằng có nhiều đờng tín hiệu từ
các hớng khác nhau( ví dụ N đờng tín hiệu phản xạ) thì tín hiệu thu tổng hợp là:
=

] ]
)2sin()2[sin()2cos()2[cos(
1
,
1
,

==
+
N
n
nDn
N
n
nDn
tfftRtfftR

Mỗi đờng phản xạ có một biên độ R
n
và tần số sóng mang f, dịch tần f
D, n
của mỗi tín
hiệu phản xạ là do hiệu ứng Doppler khi MS di chuyển. Nếu tín hiệu đợc truyền đi
song song theo hớng di chuyển của MS thì dịch tần Doppler là:
với là vận tốc chuyển động của MS
Tín hiệu thu đợc biểu diễn ở dạng pha và thành phần vuông góc là:
ở đây thành phần đồng pha là:
và thành phần vuông góc là:
Các số hạng của các tổng ở trên là các biến số ngẫu nghiên độc lập với nhau và có sự
phân bố tơng tự nhau. Vì thế nếu N lớn thì cả R

I
(t) và R
Q
(t) trở thành hàm biến đổi
ngẫu nhiên Gaussian có giá trị trung bình bằng 0. Hình bao của tính hiệu là:
có phân bố Rayleigh
Vì thế hàm mật độ xác suất là:
21
và p(R)=o với R<0
Một cách để hình dung loại fading này là mô tả một BS phát một sóng mang cha đợc
điều chế với một giá trị đờng bao không đổi. Dạng sóng thu đợc ở MS sẽ có một giá
trị đờng bao thay đổi; giá trị thay đổi của hình bao đợc phân bố theo phân bố
Rayleigh. Độ rộng băng tần của sự biến đổi giá trị hình bao này đợc xác định bằng
việc dịch tần doppler tối đa theo vận tốc MS.
Do có nhiều tín hiệu đến máy thu theo các đờng khác nhau, nên kết quả có cộng hởng
và triệt tiêu. Khi một MS di chuyển, thì biên độ có thể tăng hoặc giảm xem hình vẽ
1.8. Khoảng cách giữa mỗi fade phụ thuộc vào tần số mang. Khi một máy thu di
chuyển qua trờng này, thì tốc độ thay đổi của biên độ và pha của tín hiệu thu phụ
thuộc cả vào tần số mang và vận tốc di chuyển của máy thu. Trong môi trờng di động
sự thay đổi biên độ do hiện tợng fading có thể là 50dB, vì fading loại này xảy ra rất
nhanh nên đôi khi nó đợc gọi là fading nhanh.
Hình 1. Mô tả tín hiệu bị suy hao ở vị trí nửa bớc sóng
Ví dụ 1.1 So sánh tốc độ suy giảm (fade) xảy ra giữa dịch vụ cellular và PCS, giả sử
MS di chuyển tốc độ 90km/h hay 25 m/s. Tần số mang là 900MHz cho cellular, và
1,9GHz cho PCS thế thì ta sẽ có các bớc sóng tơng ứng là:
Thời gian mà MS di chuyển đợc nửa bớc sóng là (từ 1 fade đến fade tiếp theo):
theo tính toán với cellular ta có thể thấy một sự suy giảm đáng kể về cờng độ của tín
hiệu hoặc fade, qua mỗi khoảng thời gian 6,67 ms ( hoặc ở tốc độ tần số 150Hz). Đối
với PCS, chúng ta thấy rằng mỗi khoảng thời gian 3,16 ms hoặc tần số tốc độ 317 Hz.
22

Sự dịch tần Doppler cho hai trờng hợp này là:
1.1.4.4 Trễ đa đờng
Hiện tợng đa đờng xảy ra khi các tín hiệu đến máy thu là trực tiếp và gián tiếp do đ-
ờng truyền phải đi qua các vật cản hoặc bị phản xạ qua các vật cản. Số lợng các tia
phản xạ phụ thuộc vào góc tới, tần số mang, phân cực của sóng tới. Vì độ dài đờng
truyền khác nhau giữa các đờng trực tiếp và các đờng phản xạ, nên tín hiệu sẽ thu đợc
ở các thời điểm khác nhau qua các khoảng cách khác nhau. Hình 1.9 minh họa khái
niệm này:
Hình 1. Ví dụ về sự kéo dài của trễ
Tại thời điểm t=0 phát một xung; giả định có vô số đờng phản xạ, một máy thu đợc
đặt cách xa 1 km đã phát hiện ra một loạt xung, hay delay spread.
Nếu sự khác nhau về thời gian t là đáng kể so với một chu kỳ kí hiệu thì giao thoa
giữa các ký tự (ISI) có thể xảy ra, nói cách khác các ký hiệu đến sớm hơn hoặc chậm
hơn so với một chu kì ký hiệu có thể làm sai lạc thông tin. Vì sự kéo dài của trễ và
khác với đờng truyền cố định nên một hệ thống tốc độ cao sẽ chịu ISI ( nhiễu giao
thoa ký hiệu).
Ví dụ 1.2 xác định sự kéo dãn của trễ chỉ ra ở hình 1.8 sẽ gây ra giao thoa ký hiệu đối
với một hệ thống di động với tốc độ số liệu là 270,83kb/s:
23
Vì chu kì bít xấp xỉ bằng độ trễ đợc chỉ ra ở hình 2.3 nên ISI có thể xảy ra trong tình
huống này nếu không sử dụng bộ cân bằng.
Ví dụ 1.3 Xác định giá trị kéo dài của trễ ( delay spread) sẽ gây ra cho hệ thống
CDMA tốc độ 1,2288 Mb/s:
Trễ trong trờng hợp này lớn hơn nhiều so với chu kỳ bít nên giao thoa (ISI) sẽ xảy ra
thờng xuyên. Tuy nhiên hệ thống CDMA IS 95 sử dụng phân tập thời gian để khôi
phục tín hiệu. Hệ thống sử dụng một bộ thu quét rake để khôi phục tín hiệu. Hệ thống
sử dụng một bộ thu quét rake để khóa các thành phần đa đờng khác nhau. Nếu một
chuẩn thời gian đợc định trớc, thì các thành phần đa đờng có thể đợc nhận dạng một
cách riêng biệt đợc coi nh hồi âm (tiếng dội) của tín hiệu đợc phân biệt theo thời gian.
Thành phần đợc nhận dạng riêng biệt này của tín hiệu thu có thể đợc đa vào pha và

kết hợp để tạo ra tín hiệu thu tổng hợp cuối cùng. Tuy vậy, hệ thống CDMA IS 95
không thể phân biệt rõ hoặc giải quyết các thành phần đa đờng nhỏ hơn 1às. Trong
môi trờng đô thị đông đúc, các BS ở rất gần nhau và mỗi BS đợc phát ở mức công suất
thấp, các thành phần đa đờng đến máy thu với các khoảng thời gian nhỏ hơn 1às có
công suất rất thấp. Trong trờng hợp này CDMA không thể giải quyết đợc các thành
phần này để kết hợp các công suất nhằm tạo ra một tín hiệu tổng hợp hữu ích. Điều
này đợc thực hiện tốt trong CDMA băng rộng (B-CDMA). Sự thay đổi của B-CDMA
có tốc độ bít 5Mb/s và theo lý thuyết có thể giải quyết đợc các thành phần đa đờng
0,2 às.
Chúng ta hãy xem xét hiệu ứng kéo dài trễ trong miền tần số. Sử dụng một mô hình
đơn giản để minh họa. Giả định có hai tín hiệu đa đờng cùng biên độ A chỉ ra ở hình
1.10:
Hình 1. Hai thành phần đa đờng cách nhau khoảng thời gian
Một tín hiệu đa đờng có độ trễ so với tín hiệu đa đờng kia. Tín hiệu thu đợc sẽ là:
Biến đổi Fourier ta đợc dạng phổ của r(t)
24
Chúng ta có thể viết lại:
Với H(f) là hàm truyền đạt, ta tính tiếp:
Về mặt độ lớn hình 1.11:
Hình 1. Fading lựa chọn tần số
(có giá trị 0 ở hàm truyền đạt)
Vì thế Fading lựa chọn tần số đã cho thấy độ lớn của phổ bằng 0 do trễ đa đờng gây
ra.
1.1.5 Các phơng pháp mã hóa
Chúng ta xem xét hai phơng pháp mã hóa cơ bản là mã hóa nguồn và mã hóa kênh.
Hai phơng pháp này là hai khâu cơ bản trong một hệ thống thông tin số (xem hình
1.12). Nguồn thông tin nh tiếng nói, đầu tiên đợc chuyển thành dạng số bằng hàm mã
hóa nguồn. Tiếp đến là mã hóa kênh nhằm mục đích giảm xác suất lỗi chống lại sự
suy giảm khác nhau ảnh hởng đến kênh truyền. Sau đó, thông tin đợc sắp xếp bằng
hàm đa truy nhập để nhiều ngời có thể chia sẻ một phổ tần nhất định. Hàm điều chế

chuyển thông tin từ băng gốc sang một dạng sóng thông dải (RF) để có thể phát qua
máy phát. Phía máy thu thì có các quá trình ngợc lại, các tín hiệu đợc thu qua máy thu
đợc giải điều chế chuyển từ RF sang băng tần cơ sở. Sau đó hàm đa truy nhập sẽ tách
các tín hiệu của các ngời dùng khác nhau đang dùng chung phổ tần. Giải mã hóa kênh
sửa các lỗi do kênh truyền gây ra. Hàm giải mã nguồn chuyển thông tin ở băng tần cơ
sở thành tín hiệu ban đầu.
25