Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC-CDMA

LỜI NÓI ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết
yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi
lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin
di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng
nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống
thông tin di động hiện có. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ
trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương pháp
đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian
TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi
trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ
khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng
tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà
còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu,
hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan
tâm.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang,
được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến. Ưu điểm
của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số,
tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng
mang bằng giải thuật IFFT và FFT.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật
MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa
tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với
fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ
phức tạp của hệ thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ
thống thông tin di động trong tương lai.

Nhiệm vụ của đề tài:
Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC-CDMA (Multicarrier –

Code Division Multiple Access).
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA


TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG
KỸ THUẬT MC – CDMA


Lời nói đầu

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1
1.1 Khái quát về Hệ thống di động tế bào 1

1.2 Sự phát triển của Hệ thống thông tin di động 3
Thế hệ thứ nhất (1G) 3
Thế hệ thứ hai (2G) 4
Thế hệ thứ 3 (3G) 4
Con đường đi lên 3G của Việt Nam 4

1.3 Kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng
đến chất lượng kênh truyền 5
1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5
a. Hiệu ứng đa đường (Multipath) 5
b. Hiệu ứng Dopler 6
c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 6
1.3.2 Các dạng kênh truyền 6
a. Kênh truyền chọn lọc tần số và Kênh truyền Fading phẳng 6
b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 8

1.4 Các kỹ thuật đa truy nhập 9
1.4.1 Giới thiệu chung 9
1.4.2 FDMA : Đa truy nhập phân chia theo tần số 10
1.4.3 TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian 11
1.4.4 CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã 12


Chương 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA) 13
2.1 Giới thiệu 13

2.2 Kỹ thuật trải phổ 13
2.2.1 Giới thiệu chung
2.2.2 Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) 15
2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS) 16
2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS) 19
2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS) 22
2.2.6 Các chuỗi trải phổ 23

2.3 Nguyên lý CDMA 24

2.4 Máy thu RAKE 25


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA

2.5 Điều khiển công suất 26
2.5.1 Hiệu ứng Gần – Xa 26

2.5.2 Điều khiển công suất 27

2.6 Chuyển giao (Handoff) 27
2.6.1 Chuyển giao mềm 28
2.6.2 Chuyển giao cứng 28

2.7 Hệ hống DS – CDMA 29

2.8 W – CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) 29


Chương 3: MC – CDMA (Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) 31
3.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 31
3.1.1 Giới thiệu 31
3.1.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 32
3.1.3 Tính trực giao 33
3.1.4 Hệ thống OFDM 36
3.1.5 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 38
3.1.6 Ưu, khuyết điểm của OFDM 40
3.1.7 Kết luận 40

3.2 MC – CDMA 41
3.2.1 Giới thiệu 41
3.2.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 42
3.2.3 Máy phát và máy thu MC – CDMA theo mô hình 1 43

3.3 Ưu, khuyết điểm của hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC – CDMA 45
3.3.1 Ưu điểm 45
3.3.2 Khuyết điểm 45

3.4 Sự khác nhau giữa MC – CDMA và OFDMA 46

Kết luận và hướng phát triển đề tài 47

Các chữ viết tắt 48

Tài liệu tham khảo 50


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 1








CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG


1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ BÀO
Thay vì dùng các máy phát sóng vô tuyến công suất cực lớn để cung cấp các
dịch vụ thông tin di động cho một lượng lớn users trong một vùng rộng lớn thì thông
tin tế bào chia các vùng địa lý thành các ô (cell), mỗi ô sử dụng máy phát sóng công
suất nhỏ hơn và các bộ điều khiển được gọi là trạm gốc (BS – Base Station). Các ô
này kết hợp lại tạo thành mạng tế bào như hình 1.1.

Các trạm gốc (BS) được điều
khiển bởi Trung tâm chuyển
mạch di động (MSC – Mobile
Switching Center), các MSC này
lại được điều khiển bởi Mạng
điện thoại chuyển mạch công
cộng (PSTN – Public Switched
Telephone Network).




Hình 1.1. Hệ thống di động tế bào
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 2

Trong hệ thống thông tin di động tế bào, tần số mà các máy di động sử dụng
là không cố định ở một kênh nào đó mà thay đổi tùy theo vị trí của user. Mỗi ô được
gán cho một nhóm tần số. Vì vậy, các ô kế cận nhau sử dụng các nhóm tần số khác
nhau để tránh nhiễu đồng kênh. Còn ở các ô cách xa một khoảng cách nhất định thì
có thể sử dụng lại nhóm tần số đó (Frequency Reuse). Nhờ vậy mà dung lượng của
hệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần.



Điều này được minh hoạ trong hình 1.2.
Ta nhận thấy cứ một nhóm 7 cells tần số

được sử dụng lại. Nhóm 7 cells này được
gọi là 1 cluster.
Ví dụ : cell thứ nhất (được đánh số 1)
của cluster này sẽ sử dụng cùng tần số
với cell 1 của cluster khác.



Hình 1.2. Sử dụng lại tần số với cluster gồm 7 cells.

Khi user di chuyển từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi
thì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi để không làm gián đoạn cuộc gọi. Quá
trình này gọi là chuyển vùng (Handoff).

Những ưu điểm của Hệ thống thông tin di động tế bào:
+ Do sử dụng hiệu quả dải tần số mà dung lượng của hệ thống tăng rất nhiều.
+ Chất lượng của hệ thống được cải thiện do khả năng chống nhiễu đồng kênh
(CCI – Co-Channel Interference).
+ Tăng chất lượng truy cập và chuyển vùng giữa các cell.


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 3

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Thông tin di động đã phát triển qua các thế hệ khác nhau.

Thế hệ thứ nhất – 1G :
+ Các hệ thống thông tin di động 1G được xây dựng từ những năm 80
Ví dụ: NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển.
AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ
+ Dựa trên công nghệ analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số
(FDMA – Frequency Division Multiple Access).
+ Cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại.
+ Các hệ thống di động 1G được phát triển trong phạm vi Quốc gia, do đó không
có khả năng tương thích lẫn nhau.
Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có
một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ 2 (2G) ra đời.

1
st
Generation (1G)
(1980s)
Analog
Voice
AMPS, NMT …
2
nd
Generation (2G)
(1990s)
Digital
Voice & Data
GSM, IS-95, PDC…
3
th

Generation (3G)
(2000s)
Digital
Voice, Internet, Media
W-CDMA , CDMA2000,
IMT-2000…
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 4

Thế hệ thứ hai – 2G :
+ Được phát triển ngay trong thập niên 90.
+ Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian
(TDMA – Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA
– Code Division Multiple Access).
+ Theo quan điểm người sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì
ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ
truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp.
+ Chưa thực hiện được hệ thống thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trường
tồn tại một số hệ thống di động 2G như GSM (Global System for Mobile
Communication), IS-95 (Interim Standard – 95), PDC (Personal Digital Celular) …
Trong đó, GSM được sử dụng rộng rãi nhất.

Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời với mục
tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới.
+ Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ưu thế vượt trội của CDMA .
+ Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau như thoại, Internet
tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lượng cao, nhắn tin đa phương tiện (MMS) …
+ Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA …
Hệ thống di động 3G chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng các nghiên cứu về hệ

thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang, đã được tiến
hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá. Vì vậy, việc tìm hiểu về Hệ thống
thông tin di động dùng kỹ thuật MC-CDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.

Con đường đi lên 3G của Việt Nam:
Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở Việt Nam là Mobifone,
Vinaphone, S-Fone và Viettel. Con đường đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều
đã có: các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng
công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000. Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm
triển khai cho phù hợp.
Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifone thử nghiệm thành công dịch vụ di động
3G. Vào cuối năm nay, nhà cung cấp này dự định sẽ đưa ra dịch vụ 2,5G hay còn
gọi là EDGE. Trong khi đó, Vinaphone và Viettel vẫn đang sử dụng công nghệ thuộc
thế hệ thứ 2 (2G).
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 5

Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ
CDMA. Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cách
chuẩn 3G CDMA 2000 1X Evdo một khoảng không xa. Vì vậy, S-Fone sẽ có khả
năng tiến nhanh hơn trên con đường hướng tới 3G.
Mặc dù hiện nay đa số thuê bao di động ở nước ta chưa có nhiều nhu cầu gì khác
hơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhưng theo tuyên bố của các nhà đầu tư thì
đầu năm sau (2006), mạng 3G của Việt Nam sẽ được triển khai.
(theo www.vtv.vn/vi-vn/VTV1/cuocsongso/2005/12/73939.vtv)

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền

hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ
(reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được gọi
chung là Fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau
của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô
tuyến.
1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:
a. Hiệu ứng đa đường (Multipath)
Nhiễu đa đường là kết quả của sự
phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín
hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín
hiệu được truyền theo các đường khác
nhau này đều là bản sao của tín hiệu
phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ
và bị trễ so với tín hiệu được truyền
thẳng (Line of Sight). Tín hiệu thu được
tại máy thu là tổng của các thành phần
này, là một tín hiệu phức tạp với biên
độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín
hiệu ban đầu.
Hình 1.3. Hiệu ứng đa đường
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 6


b. Hiệu ứng Doppler:
Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự di
chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến. Khi sự chuyển động tương đối

này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh
truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading).

c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà
cao tầng, các ngọn núi, đồi … làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện
tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy,
hiệu ứng này được gọi là fading chậm (slow fading).


1.3.2 Các dạng kênh truyền:
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có
+ Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi nhanh
(Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh
truyền biến đổi chậm (Slow Channel)).

a. Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading Phẳng
(Frequency Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective
Channel)
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng
tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng
tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f
0
.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 7

Hình 1.4a. Kênh truyền chọn lọc tần số (f
0
<W)

Trên hình 1.4a, ta nhận thấy kênh truyền có f
0
nhỏ hơn nhiều so với băng
thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không
cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền
đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là
kênh truyền chọn lọc tần số.



Hình 1.4b. Kênh truyền Fading phẳng (f
0
>W)

Ngược lại, trên hình 1.4b, kênh truyền có f
0
lớn hơn nhiều so với băng thông
của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự
suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh
truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 8


b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời
gian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel)
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên
đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất
hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản
xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi
theo thời gian.

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent
time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi
rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent
time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời gian.
Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với
coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời gian
hay phẳng về thời gian.



ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 9

1.4 CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP (Multiple Access Techniques)
1.4.1 Giới thiệu chung
Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử
dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều users có thể sử
dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó.

Có ba kỹ thuật chính được sử dụng, đó là:
FDMA – Frequency Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo tần
số
TDMA – Time Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo thời gian
CDMA – Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã


Chúng ta tưởng tượng dải băng tần sử dụng là một căn phòng lớn. Khi đó:
FDMA: căn phòng lớn được chia thành nhiều phòng nhỏ, mỗi cặp đựơc cấp
một phòng để nói chuyện.

TDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng lớn và thay phiên nhau nói
chuyện, mỗi cặp được nói chuyện trong một khoảng thời gian nhất định.

CDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng và đồng thời nói chuyện, mỗi
cặp nói chuyện bằng một ngôn ngữ riêng. Khi âm lượng của các cặp càng nhỏ
thì số cặp có thể tồn tại trong phòng (mà không gây nhiễu lẫn nhau) càng lớn.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 10

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Kỹ thuật phân kênh theo tần số ra đời đầu tiên. Với kỹ thuật này, mỗi user được

cấp một kênh (hay khoảng tần số) riêng
như hình 1.5.

Như vậy, trong FDMA, toàn bộ băng tần
được chia thành những khoảng tần số khác
nhau và những khoảng tần số này được ấn
định cho từng user. Không user nào được
chia sẻ kênh của mình cho user khác ngay
cả khi nó không được sử dụng (kênh ở
trạng thái rảnh).
Hình 1.5. Kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDMA)
Chính vì vậy, việc sử dụng tần số bị giới hạn và trở nên kém hiệu quả. Tuy
nhiên, do mỗi user truyền và nhận tín hiệu trên kênh riêng của mình nên những
users trong cùng một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau ( trường hợp lý
tưởng). Nhưng do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng,
các khoảng tần số sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác. Chình vì vậy có thể
user ở tế bào A gây nhiễu cho một user ở tế bào B gần đó do hai người cùng sử
dụng chung một khoảng tần số. Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh CCI (co-
channel interference).
Ưu điểm:
+ Băng thông của mỗi kênh là tương đối hẹp nên hạn chế được fading chọn lọc
tần số.
+ Các tính toán cho hệ thống sử dụng FDMA khá đơn giản.
+ Việc đồng bộ là tương đối đơn giản.
Khuyết điểm:
+ Mỗi user chỉ được cấp cho một khoảng tần số nhất định nên tốc độ bit tối đa trên
một kênh là cố định và do đó, hệ thống FDMA không thích hợp với truyền dẫn số.
+ Cần phải có khoảng băng tần bảo vệ để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh và để có
thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần số mong muốn.
+ Cần bộ lọc băng hẹp tốt.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 11


1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Kỹ thuật phân kênh theo thời gian được ra đời sau kỹ thuật phân chia theo tần
số với hiệu quả sử dụng kênh truyền cao hơn. Với TDM, mỗi user có thể sử dụng
toàn bộ băng tần nhưng trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Vì vậy, các
user khác nhau có thể truyền và nhận tin tức, từng người từng người một, trên
cùng một khoảng băng tần nhưng tại những thời điểm khác nhau.
Điều này được minh họa trong hình 1.6.
Như vậy, về mặt lý thuyết, các users
trong cùng một tế bào cũng không gây
nhiễu cho. Tuy nhiên, trong cùng một
thời điểm cũng có thể có một user ở tế
bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho
nên trong cách truy nhập này cũng xuất
hiện nhiễu đồng kênh CCI.

Hình 1.6. Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDMA)


Ưu điểm:
+ Thích hợp với truyền dẫn số do có thể linh động tốc độ bit cho các kênh.
+ Không cần khoảng băng tần bảo vệ nên tiết kiệm được băng tần.
+ Không cần bộ lọc băng hẹp tốt.
+ Cho phép tận dụng tất cả những ưu điểm của kỹ thuật số.

Khuyết điểm:

+ Cần phải có sự đồng bộ thời gian chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở
máy phát và máy thu.
+ Bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 12

1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)



Mỗi user được gán cho một
chuỗi mã xác định thuộc tập mã
trực giao, và do đó tất cả các user
có thể sử dụng chung khoảng băng
tần trong cùng một khoảng thời
gian như trong hình 1.7.



Hình 1.7. Kỹ thuật phân kênh theo mã (CDMA)

Ưu điểm:
+ Sử dụng hiệu quả băng tần.
+ Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không giới hạn số lượng user sử
dụng.
+ Giảm được ảnh hưởng của nhiễu đa đường.
+ Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định được quy luật của chuỗi mã
sử dụng, do đó khó khôi phục được tín hiệu thu được.

Khuyết điểm:

+ Chất lượng thông tin giảm khi số user tăng.
+ Bị ảnh hưởng của hiện tượng gần – xa, do đó cần phải áp dụng kỹ thuật điều
khiển công suất một cách chính xác.
+ Cần phải có sự đồng bộ mã trải phổ chính xác để thu đúng tín hiệu.






ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 13



CHƯƠNG 2:
KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ
(CDMA)

2.1 GIỚI THIỆU
Vấn đề bảo mật thông tin trên đường truyền là hết sức quan trọng, nhất là đối
với lĩnh vực Quân sự. Chính vì vậy, kỹ thuật trải phổ đã ra đời từ hơn nửa thế kỷ
qua, nhằm tăng tính bảo mật của thông tin truyền trong môi trường vô tuyến, chống
lại những nguồn gây nhiễu có chủ ý hoặc ý định nghe trộm của đối phương. Đạt
được điều đó là nhờ việc trải rộng phổ tín hiệu để không thể phân biệt với tạp âm
nền. Ngày nay, kỹ thuật CDMA ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ, đã được sử dụng

rộng rãi cho thông tin di động trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năng
vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác.
Để tìm hiểu về CDMA, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ.


2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
2.2.1 Giới thiệu chung
Mục đích:
Làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không
mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được
bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên
để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra
bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin.
Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có độ
rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được
mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ
của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy
thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ
rộng phổ ban đầu của bản tin.
ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 14


Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện:
+ Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông
tin.
+ Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin.

Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ:
+ Khả năng đa truy cập:
Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng
thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã
được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user,
nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn.

+ Tính bảo mật thông tin cao:
Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do
đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang
được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi
giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức.

+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường:
Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên
kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều
là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín
hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai
lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được
nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó.
Các kỹ thuật trải phổ gồm ba nhóm chính:
Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 15

2.2.2 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên
(PRBS: Pseudo Random Binary Sequence)
Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn
nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó,
người quan sát khó nhận biết được quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên.
Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm N D-FlipFlop ghép liên tiếp nhau
như hình 2.1


Hình 2.1.Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khác
nhau. Có tối đa 2
N
– 1 trạng thái của N D-FF, loại bỏ trạng thái 00…0 vì nếu xuất
hiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng không và các trạng thái sau đó đều
bằng không. Vì vậy, chiều dài cực đại của chuỗi là L = 2
N
– 1.

Tính chất của chuỗi PRBS:
+ Số bit 0 và số bit 1 trong một chu kỳ chuỗi gần bằng nhau.
+ Tương quan chéo giữa mã PRBS và phiên bản bị dịch theo thời gian của nó rất
nhỏ.
Trong một chu kỳ: Giá trị tương quan chéo của chuỗi là “ –1/L”
Giá trị tự tương quan của chuỗi là “1”

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 16



Hình 2.2. Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS


2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp
(DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)
Nguyên lý cơ bản:
Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp
với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần
nữa để tạo lại tín hiệu tin tức.


Hình 2.3.Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 17

[V] twcos)t(g)t(dP2)t(v
0SSSDS
⋅⋅=
−
Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit f
b

. Thực hiện
nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) có tốc độ bit f
c
với f
c
>> f
b
. Như vậy:
g(t) , d(t) = +1
d(t).g(t) =
– g(t) , d(t) = –1

Vì tốc độ bit f
c
của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit f
b
của
chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao. Tần số
này được gọi là tốc độ chip.


Sau đó, chuỗi tích số d(t).g(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng
điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức:
(1)

Trong đó: P
S
là công suất phát [W]
w
o

là tần số sóng mang [rad/s]


Nếu so sánh (1) với biểu thức của BPSK: twcos)t(dP)t(v
SBPSK 0
2 ⋅= , ta nhận
thấy: với cùng công suất phát P
S
, chuỗi số d(t).g(t) có tốc độ chip f
c
chiếm dải phổ
tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu v
BPSK
có tốc độ bit f
b
, vì vậy, mật độ phổ
công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ v
DS-SS
thấp hơn nhiều so với mật độ phổ
công suất của tín hiệu không trải phổ v
BPSK
. Nếu f
c
đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất
thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó
khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 18













Hình 2.4. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ

Tại máy thu, tín hiệu v
DS-SS
được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên g
r
(t) được tái
tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu.


Hình 2.5 Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 19


Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp:
+ Có khả năng thực hiện đa truy cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát.
+ Việc tạo ra các tín hiệu mã hoá tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ
nhân
+ Việc tổng hợp tần số đơn giản do chỉ cần tạo một sóng mang.

Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp:
+ Cặp máy phát – máy thu phải được đồng bộ chip. Để thu đúng, sai số đồng bộ
phải nhỏ hơn khoảng T
chip
.
+ Các máy phát gần máy thu có thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy
phát ở xa (hiệu ứng gần – xa).


2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số
(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)
Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK, trong đó, tần số sóng
mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã
ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên
trục tần số. Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK
là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2

N
-1, với N là chiều dài chuỗi mã)
trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến B
FH
= B x L như
hình 2.6.








Hình 2.6. Phổ của tín hiệu FH – SS


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 20

Trong hệ thống trải phổ nhảy tần số, cứ sau một khoảng thời gian T
H
, tần số
sóng mang nhảy đến một tần số khác. Tốc độ nhảy tần f
H
có thể nhanh hơn hay
chậm hơn tốc độ bit f
b
của tín hiệu thông tin.

+ Nếu f
H
≥ f
b
: trong khi máy phát phát một bit dữ liệu, có ít nhất một lần nhảy tần
số. Và hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh (Hình 2.7)











Hình 2.7. Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần nhanh

+ Nếu f
H
< f
b
: sau mỗi lần nhảy tần, máy phát phát liên tiếp một số bit trước khi
nhảy sang một tần số khác. Và hệ thống được gọi là nhảy tần chậm (Hình 2.8)

Hình 2.8. Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần chậm


ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 21

Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit,
trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông
tin cần truyền.



Hình 2.9. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS


Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:
+ Dễ đồng bộ hơn hệ thống dùng kỹ thuật DS – SS do hệ thống FH – SS chấp nhận
sai số đồng bộ trong khoảng thời gian T
H
>> T
chip
trong hệ thống DS – SS.
+ Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ. Vì vậy

có thể tránh được hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc có
thể đang phát ở các tần số khác nhau.
+ Hệ thống FH – SS có thể sử dụng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu
băng hẹp tốt hơn hệ thống DS – SS.

Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:
+ Cần tạo bộ tổng hợp tần số phức tạp.
+ Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sử
dụng.

ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã

Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 22

2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian
(TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum )
Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia
thành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ
sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có
tốc độ gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số
cần thiết để truyền tăng gấp k lần.

Hình 2.10. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian

Hình 2.11. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS