Kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
1
Trong những năm gần đây kỹ thuật trải phổ được ứng dụng rộng rãi
nhờ các ưu điểm của nó trong việc tăng dung lượng hệ thống, khả năng bảo
mật cao chống nhiễu cố ý hoặc vô tình, Để đạt được mục đích đó là nhờ
việc giãn phổ tín hiệu để không phân biệt được với nền tạp âm. Một trong
những ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của kỹ thuật trải phổ là công
nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động đã đem lại
những ưu điểm vượt bậc về hiệu quả sử dụng dải thông lớn so với các công
nghệ khác.
Hiện nay thông tin di động đang phát triển với tốc độ chóng với số thuê
bao di động tăng nhanh. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng đa dạng đòi
hỏi chất lượng ngày càng cao của khách hàng, thông tin di động không ngừng
được nghiên cứu để đưa ra các chuẩn mới tiên tiến hơn. Và hệ thống thông tin
di động thế hệ 3 dựa trên nguyên lý CDMA đang được phát triển để thay thế
cho hệ thống thông tin di động thế hệ 2.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được xây dựng dựa trên ITM-2000
bao gồm 2 tiêu chuẩn WCDMA và CDMA2000. WCDMA là một bộ phận
của CDMA trải phổ trực tiếp còn CDMA2000 là một bộ phận của CDMA đa
sóng mang trong đó công nghệ WCDMA được nhiều nhà khai thác lựa chọn
nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau
đặc biệt là các dịch vụ thấp và trung bình.
Do đó việc nghiên cứu kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của kỹ thuật trải
phổ là rất cần thiết. Vì vậy em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là: “Mạng di động
ứng dụng kỹ thuật trải phổ thế hệ sau” tập trung nghiên cứu về kỹ thuật trải
phổ và ứng dụng của kỹ thuật trải phổ trong WCDMA.
Đồ án của em gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.
Chương này nêu những nét cơ bản nhất về hệ thống thông tin di động
2

Chương 2: Kỹ thuật trải phổ
Chương này đi sâu tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ, các đặc điểm của các
hệ thống trải phổ cơ bản.
Chương 3: Úng dụng kỹ thuật trải phổ trong WCDMA
Chương này nêu các đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 3
WCDMA, ứng dụng kỹ thuật trải phổ trong hệ thống WCDMA và kỹ thuật
điều khiển công suất trong WCDMA.
Trong quá trình làm đồ án mặc dù đã cố gắng rất nhiều song do hạn chế
về mặt thời gian và khó khăn trong việc tìm tài liệu nên đồ án của em còn có
nhiều hạn chế. Vì vậy em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
giáo và bạn bè để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em cũng xin cảm ơn thầy giáo Đại tá, PGS-TS Đỗ Huy Giác cùng các
thầy cô giáo trong bộ môn thông tin – Khoa vô tuyến điện tử - Học viện kỹ
thuật quân sự đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Chương 1
3
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của nhà bác học người Ý Marconi
Guglielmo đã cho thấy là thông tin vô tuyến có thể thực hiện được giữa các
máy thu phát ở xa nhau và di động. Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu dùng
mã Morse, cho đến năm 1982 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết
lập lúc đầu là cho cảnh sát. Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, bang New
Jesrey mới thiết lập hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu
tiên trên thế giới. Hồi đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng
hàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tử tốn công
suất nguồn lớn. Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên
lạc được với khoảng cách vài chục dặm. Sau đó quân đội cũng đã dùng thông
tin di động để chỉ huy và chiến đấu có hiệu quả. Các dịch vụ di động trong
đời sống như cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng hải, hàng không… cũng đã

sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi. Chất
lượng thông tin di động hồi đó rất kém. Đó là các đặc tính truyền sóng vô
tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu
đã được phát đi, khác nhau về biên độ, pha và độ trễ. Tổng hợp véc tơ của các
tín hiệu này làm cho đường bao tín hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và
nhanh. Khi trạm di động hành tiến, mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn và
nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên tất cả các
đặc tính truyền dẫn ấy vẫn tồn tại đến ngày nay nhưng hồi đó chúng chỉ được
chống lại bằng một kĩ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Trong khi ngày nay
công nghệ tích hợp cỡ lớn VLSI (Very large scale circuit) có thể sử dụng từ
hàng trăm ngàn đến hàng triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh hưởng
4
xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có không
đến 10 đèn điện tử.
Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin vô
tuyến luôn luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho
phát thanh trong các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các
dịch vụ thông tin toàn cầu. Công nghệ hồi đó thì chưa thích hợp để đạt đến
chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về tái sử
dụng tần số đã được nhận thức xong không được áp dụng để đạt được mật độ
người sử dụng cao. Do đó trong suốt nhiều năm, chất lượng của thông tin di
động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích
hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên
các băng tần số cao.
Năm 1947, Bell labs cho ra ý tưởng về mạng điện thoại di động tế bào:
các máy di động lưu động tự do và chuyển vùng khi từ tế bào này sang tế bào
khác. Các tế bào được tổ chức nhằm phủ kín vùng phủ sóng (là vùng địa lý
được cung cấp dịch vụ di động) và kết nối thành mạng thông qua chuyển
mạch (tổng đài điện thoại di động) được bố trí tại trung tâm vùng.
Cấu hình cơ bản mạng tế bào được thể hiện trên hình1-1:

Hình 1-1. Cấu hình mạng tế bào
5
Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được số
hóa nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ít
nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm chạp. Các
hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất bắt đầu được sử dụng song mới chỉ
ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân trong
cộng đồng. Mặc dù Bell Laboratories đã ấp ủ ý đồ về một mạng tế bào ngay
từ năm 1947, song mãi cho tới năm 1979 công ty mẹ của nó vẫn không làm gì
để khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào. Thời kỳ ấp ủ
lâu dài đó là phải chờ các phát triển cần thiết về công nghệ. Chỉ tới khi các
mạch tích hợp thiết kế được một cách tùy chọn, các bộ vi xử lý, các mạch
tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn… mạng vô tuyến tế
bào mới được thực hiện. Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời
của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự thường được gọi là các mạng vô
tuyến di động mặt đất công cộng (PLMR- Public Land Mobile Radio). Làm
việc ở giải tần UHF, các mạng này cho thấy sự thay đổi vượt bậc về độ phức
tạp hệ thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho phép người sử dụng có được
những cuộc đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối tượng nào có nối tới
các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched
Telephone Network) hoặc các mạng đa dịch số (Intergrated Services Digital
Network). Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa trong
thông tin di động với việc áp dụng các mạng tế bào số (digital cellular
system) và các hệ thống không dây số (digital cordless telecommunication
system). Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di
động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như thư
tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin ngắn… Thông tin di động
đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới, càng ngày
càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cố
định. Ngày nay trên thế giới số thuê bao di động đã lên tới hơn một tỷ. Doanh

6
số thu được từ dịch vụ liên lạc di động đã bắt kịp và vượt doanh số của các
dịch vụ cố định từ 1998. Khả năng roaming toàn cầu đã có, nhiều thế hệ thông
tin di động ra đời.
Tại Việt Nam hiện nay đã có rất nhiều công ty kinh doanh dịch vụ
thông tin di động bao gồm cả công nghệ GSM (như Vinaphone, mobifone,
Viettel) và công nghệ CDMA (như Sphone ) với số thuê bao không ngừng
tăng lên, doanh thu từ dịch vụ này ngày càng tăng. Các dịch vụ cũng ngày
càng được mở rộng.
Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International
Telecommunication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di
động thế hệ thứ ba (3G: 3
rd
Generation) trong dự án IMT-2000 (International
Mobile Telecommunication-2000). Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêu
chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động, phục vụ nhiều loại hình
dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2Mb/s.
1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG
Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ mạng điện thoại cố định
thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù
cho mạng để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi. Để đảm bảo được các chức
năng nói trên, các mạng thông tin di động phải đảm bảo một số yêu cầu cơ
bản chung sau đây:
− Sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát để đạt dung lượng cao.
− Đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu. Các hệ thống thông tin di
động phải có khả năng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bởi pha đinh.
− Đảm bảo an toàn thông tin tốt nhất bằng cách sử dụng SIM-CARD.
SIM-CARD có kích thước như một thẻ tín dụng. Thuê bao có thể cắm
thẻ này vào máy di động của mình và chỉ có người này mới có thể sử

7
dụng nó. Các thông tin lưu trữ ở SIM-CARD cho phép thực hiện các
thủ tục an toàn thông tin.
− Giảm tối đa tỷ lệ rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ
này sang vùng phủ khác.
− Cho phép phát triển các dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ phi thoại.
− Đảm bảo tính toàn cầu phải cho phép chuyển mạng quốc tế
(International roaming).
− Các thiết bị cầm tay phải gọn nhẹ và tiêu tốn ít năng lượng.
1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Với sự phát triển nhanh của công nghệ chế tạo, nhiều hệ thống thông tin
di động ra đời phục vụ cho lợi ích thương mại. Các hệ thống đó bao gồm
nhiều dạng và phân chia theo các phương thức khác nhau.
1.3.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu
 Hệ thống tương tự – Analog: Thế hệ 1; Tín hiệu thoại điều tần Analog,
các tín hiệu điều khiển đã số hóa toàn bộ
 Hệ thống số – Digital: Thế hệ 2 và cao hơn; Tín hiệu thoại, tín hiệu
điều khiển đã số hóa toàn bộ. Ngoài dịch vụ truyền tín hiệu thoại còn
có khả năng phục vụ các dịch vụ khác như truyền số liệu, truy cập
mạng….
1.3.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống
 Các mạng thông tin vô tuyến dạng tế bào: Cung cấp dịch vụ trên diện
rộng với khả năng lưu động- Roaming, toàn cầu - Liên mạng
 Các mạng vô tuyến không dây: Cung cấp các dịch vụ trên diện hẹp, có
giải pháp kỹ thuật đơn giản, không có khả năng Roaming.
 Vành vô tuyến địa phương WLL- Wireless Local Loop: Cung cấp
dịch vụ điện thoại vô tuyến với chất lượng như điện thoại cố định cho
một vành đai quanh một trạm gốc. Không có khả năng Roaming. Mục
8
đích nhằm cung cấp dịch vụ điện thoại cho các vùng mật độ dân cư

thấp, mạng lưới điện thoại cố định chưa phát triển.
1.3.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập
 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA - Frequency Division
Multiple Access : Mỗi một thuê bao truy nhập mạng bằng một tần số .
Băng tần chung được chia thành N kênh vô tuyến. Mỗi một thuê bao
truy nhập và liên lạc trên kênh con trong suốt thời gian liên lạc.
 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA - Time Division
Multiple Access : Trong phương thức truy nhập này, các thuê bao dùng
chung một tần số song luân phiên nhau về thời gian.
 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA - Code Division Multiple
Access : Các thuê bao dùng chung 1 tần số trong suốt thời gian liên lạc.
Phân biệt nhờ sử dụng mã trải phổ khác nhau.
1.3.4 Phân loại theo phương thức song công
 Song công phân chia theo tần số FDD- Frequency Division Duplex :
Băng tần công tác gồm 2 giải tần dành cho đường lên (up -link) từ MS đến
BS và đường xuống (down-link) từ BS tới MS. Trong đó đường lên luôn
là giải tần thấp vì MS có công suất nhỏ hơn thường di động và có khả năng
bị che khuất, khi đó với dải tần thấp hơn thì khả năng bị che khuất giảm.
 Song công phân chia theo thời gian TDD- Time Division Duplex :
Trong phương thức này, khung thời gian công tác được phân chia là 2,
một nửa cho đường lên và một nửa cho đường xuống.
Dù các mạng thông tin di động dạng tế bào phân loại theo cách nào thì
mục đích của các mạng thông tin đó cũng phải đáp ứng được yêu cầu cơ bản
sau: thiết bị ngày càng rẻ; chất lượng dịch vụ ngày càng tốt hơn, giá cước mỗi
cuộc gọi giảm; dung lượng thông tin của hệ thống cao, đáp ứng nhu cầu phát
triển của hệ thống. Song, với các kỹ thuật sử dụng như: kỹ thuật điều chế; kỹ
thuật đa truy nhập; kỹ thuật mã nói tiếng nói và các thiết bị phụ trợ sử dụng
9
trong hệ thống…đều gây ảnh hưởng đến hiệu quả phổ của các hệ thống.
Trong khi đó, dải tần vô tuyến là nguồn tài nguyên có giới hạn. Việc sử dụng

nguồn tài nguyên đó như thế nào để có hiệu quả cao là việc rất quan trọng.
1.4 CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG MÔI TRƯỜNG DI
ĐỘNG
Đặc điểm truyền sóng trong thông tin vô tuyến di động là tín hiệu thu
được ở máy thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên
độ, pha và độ trễ. Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tính
ngẫu nhiên. Sự tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng
loạt yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển,
tốc độ truyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên một
đơn vị tần số trong một đơn vị diện tích, anten, công suất phát, sơ đồ điều chế,
… Tuy nhiên về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnh
hưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao
đường truyền, pha đinh đa đường và trải trễ.
1.4.1 Hiệu ứng dơppler
Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tần số của tín
hiệu đã được phát đi, gây ra bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu trong quá trình truyền sóng.
Giả sử một sóng mang không bị điều chế có tần số
c
f
, được phát tới
một máy thu đang di động với vận tốc υ. Tại máy thu, tần số của tín hiệu nhận
được theo tia sóng thứ i sẽ là:

c m
f f f= +
.cosα
i
(1.1)
trong đó: α

i
là góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của
máy thu

m
f
là lượng dịch tần Doppler

m
f
= υ.
c
f
c
(1.2)
10
với c là vận tốc ánh sáng.
Tổng hợp tác động của mọi tia sáng tới máy thu theo mọi góc khác nhau
trong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn đến
tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng
băng
d
W
lên tới
m
2f
. Đối với trường hợp tín hiệu phát là một tín hiệu có điều
chế với độ rộng băng tín hiệu
s
W

(tín hiệu phát có các thành phần tần số từ
s
c
W
f
2
−
tới
s
c
W
f
2
+
) thì tín hiệu nhận được sẽ được trải ra trên một tần số có độ
rộng tới
s d
W W+
với tần số trung tâm có thể khác với
c
f
.
Như vậy, hiệu ứng Doppler có thể gây lên suy giảm chất lượng liên lạc
một cách trầm trọng. Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy
phát, hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu thì
tần số tín hiệu thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát. Tuy
nhiên, đối với thông tin di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát
không có nghĩa là không xảy ra hiệu ứng Doppler. Các tia sóng từ các vật
phản xạ di động như xe cộ, người đi lại,… vẫn có thể gây lên tác động
Doppler tới tín hiệu thu được tại máy thu. Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất

khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới. Điều này thường xảy ra
trong thông tin di động khi máy thu đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn
các anten trạm phát thì được bố trí dọc theo xa lộ.
1.4.2 Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức tín hiệu thu so với mức
tín hiệu phát. Trong không gian truyền sóng tự do, mức trung bình của tín
hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các anten thu và phát.
Trong thông tin di động với môi trường khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ của
môi trường truyền, do che khuất,… tổn hao đường truyền có thể lớn hơn rất
nhiều tổn hao trong điều kiện truyền sóng trong không gian tự do. Tổn hao
11
đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ
di động của các chướng ngại vật, độ cao anten, loại anten,… Trong thông tin
vô tuyến tế bào, nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo luật mũ 4
của khoảng cách. Về nguyên tắc, tổn hao đường truyền hạn chế kích thước tế
bào và cự ly liên lạc, song trong nhiều trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất
của tổn hao đường truyền để phân chia hiệu quả các tế bào, cho phép tái sử
dụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu quả sử dụng tần số.
1.4.3 Pha đinh
Trong những khoảng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu trung bình
có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu tại anten
thu lại có thể thăng giáng nhanh với mức thay đổi tiêu biểu lên tới 40dB.
Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là pha đinh nhanh.
Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm thu di
động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát đó mà là
cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các cao
ốc và các chướng ngại vật linh tinh khác trong vùng truyền sóng trước khi tới
máy thu. Thực tế trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tại máy
thu di động đều phải chịu những thay đổi về pha, độ trễ, biên độ cũng như
lượng dịch tần Doppler. Kết quả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thể

khác một cách căn bản với sóng mang đã phát. Trong trường hợp nghiêm
trọng tổng véc-tơ của các tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị
rất thấp. Hiện tượng này gọi là pha đinh đa đường. Khi máy di động di
chuyển, mức điện thu bị pha đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng
dọc theo hành trình của nó. Một khi pha đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được
có thể giảm tới không, tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, đầu ra
máy thu hoàn toàn tùy thuộc vào nhiễu của kênh.
1.4.4 Trải trễ
12
t
t
BS
MS
Đối với thông tin di động số việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia
sóng trong môi trường di động sẽ dẫn đến sự trải trễ được thể hiện trên hình
1-2:
ΔD
Hình 1-2. Trải trễ.
ΔD: là lượng trải trễ. Độ trải trễ có thể xem như độ dài của xung thu khi
xung cực hẹp được phát đi.
Hiện tượng trải trễ hạn chế tốc độ truyền tin: Tốc độ truyền ở thí dụ trên
là 1/T. Để không xảy ra ISI (Intersymbol Interference: Xuyên nhiễu giữa các
dấu) thì T ≥ ΔD, tức là R = 1/T < 1/ΔD. Dẫn đến ΔD càng lớn thì tốc độ
truyền tin càng nhỏ.
Với thông tin di động trong nhà và picocell hoặc microcell ΔD ≤ 500ns
vậy tốc độ tối đa có thể đạt được là 2Mb/s mà có thể không cần tới san bằng
kênh.
Với thông tin di động tế bào lớn ΔD có thể lớn tới ≥ 10μs để có thể
truyền tin với tốc độ cao (≥ 64kb/s) nhất thiết phải có san bằng kênh
1.5 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP

Các phương thức đa truy nhập gồm các phương thức sau:
 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
Dưới đây sẽ xét các phương pháp đa truy nhập trên.
1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
13
D
T
Đa truy nhập theo tần số được sử dụng chủ yếu trong thông tin di động
thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng cho đường
xuống (downlink) từ trạm gốc (BS) tới máy di động (MS) và đường lên
(uplink) từ máy di động tới trạm gốc. Mỗi người sử dụng chiếm một dải tần
con có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên
lạc. Đặc điểm của loại đa truy nhập này là tốc độ truyền thấp, khó áp dụng
cho các dịch vụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao nhiêu kênh
trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu và máy phát làm việc trên bấy
nhiêu tần số đặt tại BS do đó kết cấu của BS cồng kềnh. Phương thức FDMA
được sử dụng chủ yếu trong thông tin di động thế hệ 1.
Hình 1-3. Phân bố tần số trong hệ thống tế bào FDMA.
1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Đa truy nhập phân chia theo thời gian được sử dụng trong hầu hết các
hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đã hoàn toàn số hoá. Trong phương thức
đa truy nhập này mỗi người sử dụng chiếm cả dải tần W ở một khe thời gian
nhất định trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm của phương thức đa truy
nhập này là dễ mở các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm gốc khá đơn giản do chỉ
cần một cặp máy thu phát làm việc trên một cặp tần số ứng với đường lên và
đường xuống cho nhiều người sử dụng (8 người sử dụng đối với GSM), hiệu
14
quả sử dụng tần số cao hơn so với kiểu đa truy nhập theo tần số. Tuy nhiên

phương thức này yêu cầu rất cao về đồng bộ và đòi hỏi có các mạch san bằng
khá phức tạp để hạn chế ISI sinh ra trong quá trình truyền tin.
FigurHình 1-4. Ba khe thời gian của TDMA.
1.5.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Đa truy nhập theo mã là một dạng của đa truy nhập trải phổ SSMA
(Spread Spectrum Multiple Access), trong đó mỗi người sử dụng dùng toàn
bộ phổ tần như với TDMA và trong toàn bộ thời gian của cuộc gọi như đối
với FDMA. Các kênh được phân biệt với nhau nhờ việc sử dụng các mã giả
tạp âm PN khác nhau nhờ đó hầu như không gây nhiễu lẫn nhau.
Ưu điểm của CDMA là hiệu quả sử dụng phổ cao, có khả năng chuyển
vùng mềm và đơn giản trong kế hoạch phân bổ tần số. Khả năng chống nhiễu
và bảo mật cao, thiết bị trạm gốc đơn giản.
Tuy nhiên nhược điểm của nó là yêu cầu về đồng bộ và điều khiển công
suất rất ngặt nghèo và tìm ra các mã PN có khả năng cung cấp kênh lớn.
Ngoài ra do hoàn cảnh lịch sử mà hệ thống GSM (TDMA) đã được chấp nhận
ở châu Âu và số nước khác trên thế giới đảm nên việc cạnh tranh thị trường
của hệ thống CDMA gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên trong tương lai hệ thống
CDMA sẽ chiếm ưu thế và các hệ thống di động thế hệ tiếp theo (thứ ba, thứ
tư) là các hệ thống CDMA và các phát triển của nó.
1.6 KẾT LUẬN
15
Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động
với lịch sử phát triển của thông tin di động, phân loại hệ thống thông tin di
động, các đặc điểm truyền sóng trong môi trường di động và các kỹ thuật đa
truy nhập. Trong chương 2 em sẽ đi sâu trình bày về kỹ thuật trải phổ - một
kỹ thuật nền tảng cho các hệ thống thông tin di động CDMA và các hệ thống
thông tin di động thế hệ sau.
Chương 2
16
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Kỹ thuật trải phổ đã được ứng dụng lần đầu tiên trong các hệ thống
thông tin của quân đội Mỹ vào những năm 1940, nhằm che dấu thông tin và
chống nhiễu cố ý. Tuy nhiên, vài thập niên sau đó kỹ thuật này ít được quan
tâm nên khả năng ứng dụng của nó có phần hạn chế. Cho mãi đến cuối những
năm 1970 trên thế giới mới thấy nói đến kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống
thông tin và những năm gần đây nhờ các ưu thế tuyệt vời của nó trong thông
tin di động và một loạt các hệ thống thông tin khác mà kỹ thuật trải phổ thực
sự phát triển rầm rộ.
Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng
tần W rất rộng, thường rộng gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử
dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN. Khi chỉ có một
người sử dụng băng tần trải phổ thì việc sử dụng băng tần như vậy là không
hiệu quả. Tuy nhiên trong môi trường nhiều người sử dụng, những người sử
dụng này có thể sử dụng chung một băng tần trải phổ và hệ thống sử dụng
băng tần trở nên có hiệu quả mà vẫn giữ được các ưu điểm của trải phổ.
Ý tưởng của kỹ thuật trải phổ trong các hệ thống thông tin là dựa vào
định lý Shannon, định lý này được phát biểu như sau: Với một kênh có tạp âm
trắng cộng tính (AWGN- Additive White Gaussian Noise) thì tương quan giữa
dung lượng, công suất, độ rộng dải tần và chất lượng được cho bởi:
C = B. log
2
(1+ S/N) (2-1)
Trong đó:
C : dung lượng của kênh
B : độ rộng dải tần của tín hiệu
S/N : tỷ số giữa công suất tín hiệu và tạp âm.
17
Như vậy, cùng với một dung lượng xác định C, có thể truyền được tín
hiệu với tỷ số S/N rất thấp nếu tín hiệu có phổ rất rộng. Điều này có thể đạt

được nhờ thực hiện trải rộng phổ của tín hiệu cần truyền ở phần phát và nén
phổ ở phần thu. Trên cơ sở này cho phép hệ thống liên lạc làm việc tốt trong
các điều kiện có nhiễu mạnh, thậm chí che dấu tín hiệu chìm vào trong nền
nhiễu, nhờ đó đối phương rất khó phát hiện được tin tức truyền đi. Hơn nữa,
nhờ việc sử dụng các mã giả ngẫu nhiên để trải phổ nên đối phương hầu như
không thể giải mã được thông tin.
Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ tín hiệu được
truyền đi rất rộng. Tuy vậy, không phải loại hệ thống thông tin nào có phổ
rộng cũng là hệ thống thông tin trải phổ. Một hệ thống thông tin được gọi là
hệ thống trải phổ nếu nó thoả mãn 3 yếu tố sau đây:
- Tín hiệu sau khi trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn gấp nhiều lần so
với bề rộng phổ ban đầu của nó trước khi trải phổ.
- Việc trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường được
gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này độc lập với dữ liệu và có tốc độ lớn hơn
nhiều lần tốc độ dữ liệu. Tín hiệu trải được lựa chọn sao cho tạo ra một phổ
tổng cộng gần với phổ của tạp âm.
- Quá trình giải trải phổ được thực hiện nhờ lấy tương quan giữa
tín hiệu thu được và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải
đã được sử dụng ở phần phát.
2.2 NGUYÊN LÝ CHUNG
2.2.1 Nguyên lý trải phổ:
Trong điều chế trải phổ, mỗi người sử dụng được phát một chuỗi mã riêng,
chuỗi mã này được sử dụng để mã hóa tín hiệu mang tin khi phát. Tại phía thu
sẽ tiến hành giải mã tín hiệu thu được bằng chính chuỗi mã này. Điều này
thực hiện được là do tương quan chéo giữa mã của người sử dụng mong muốn
18
và mã của những người sử dụng khác rất thấp. Do quá trình mã hóa sẽ trải
rộng phổ của tín hiệu cần phát nên băng tần của tín hiệu mã lớn hơn rất nhiều
so với băng tần tối thiểu cần thiết để mang tin. Vì vậy người ta gọi phương
pháp này là điều chế trải phổ, tín hiệu thu được gọi là tín hiệu trải phổ.

Hiệu quả của trải phổ được đánh giá thông qua tăng ích xử lý PG
(Processing Gain), Nếu ký hiệu W là băng tần phát, B
i
là băng tần của tín hiệu
mang tin. Ta có định nghĩa về độ tăng ích xử lý PG như sau:
i
B
W
=PG
Để có thể thực hiện trải phổ, tín hiệu phát phải có dạng tạp âm băng
rộng và có tính ngẫu nhiên. Như vậy tín hiệu phải được cấu trúc từ một số
hữu hạn các thông số mang tinh chất ngẫu nhiên. Các thông số này phải được
chứa đựng ở các bên phát và bên thu. Yêu cầu này có thể được thỏa mãn bằng
việc sử dụng một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên có phổ giống như tạp âm Gauss
– chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PN. Trong thực tế các chuỗi nhị phân ngẫu
nhiên có thể được điều chế dễ dàng và có những kết quả thực tế giá trị.
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống trải phổ được cho ở hình sau:
19
Nén
dữ
liệu
Mã
hoá
sửa
sai
Điều
chế
KĐ
CS

Kênh
truyền
Tạp âm
Nhiễu
Tạo
sóng
mang
Đ/c
Tạo
chuỗi
PN

Kênh
truyền
Trạm
phát
vệ
tinh

Kênh
truyền
Tạp âm
Nhiễu
Tạp âm
Nhiễu
Giải
nén
Giải
mã
Đồng

bộ
chuỗi
Tạo
chuỗi
PN
Giải
điều
chế

KĐ
CS
A/D
A/D
Kênh mặt đất
Kênh vệ tinh
Đường lên
Đường xuống
Tín hiệu
tương tự
Tín hiệu
số
Tín hiệu
tương tự
Tín hiệu
số
Hình 2-1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin trải phổ.
2.2.2. Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ
a. Khả năng chống nhiễu
Từ khi ra đời đến nay, các hệ thống thông tin trải phổ đã và đang ngày
càng phát triển. Các hệ thống này đã chứng tỏ được tính ưu việt của kỹ thuật

trải phổ, đó là khả năng chống nhiễu cao.
Nếu chỉ xét đến tạp âm trắng chuẩn cộng tính (AWGN) thì trải phổ
không có ưu điểm làm giảm tạp âm trắng AWGN. Song điều này không làm
ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống bởi vì tạp âm AWGN phân bố
20
đồng đều và rộng vô hạn trên cả dải tần với mức công suất tín hiệu nhiễu khá
nhỏ. Tuy nhiên, đối với nhiễu cố ý thì trải phổ có hiệu năng tương đối cao.
Điều này đã thoả mãn được điều kiện ban đầu khi đề xuất ra ý tưởng trải phổ
tín hiệu.
Để hiểu rõ được hệ thống thông tin trải phổ có khả năng chống nhiễu
cố ý như thế nào, trước tiên ta cần phải hiểu rõ các phương thức gây nhiễu
một hệ thống thông tin ra sao. Việc gây nhiễu hệ thống thông tin có thể thực
hiện theo 2 cách sau:
- Gây nhiễu toàn bộ băng tần tín hiệu của hệ thống. Khi thực hiện
phương pháp này thì mỗi toạ độ tín hiệu chỉ bị gây nhiễu với một mức năng
lượng đồng đều và công suất tín hiệu nhiễu không cao.
- Gây nhiễu một số toạ độ tín hiệu hoặc là gây nhiễu toàn bộ dải tần
tín hiệu nhưng công suất nhiễu ở các toạ độ khác nhau. Khi đó công suất tín
hiệu nhiễu tại một toạ độ có thể đạt được khá lớn.
Nhìn chung cả hai phương pháp trên đều khá hiệu quả đối với các hệ thống
thông tin thông thường.
21
W
S
W
SS
W
SS
W
S

a. Tín hiệu chưa trải phổ
b. Tín hiệu sau trải phổ
c. Tín hiệu bị gây nhiễu theo cách thứ 2
d. Tín hiệu sau giải trải phổ
Hình 2-2. Ảnh hưởng của nhiễu cố ý đến hệ thống thông tin trải phổ.
Đối với các hệ thống thông tin trải phổ, do phổ của tín hiệu được trải ra
rất rộng cho nên việc gây nhiễu theo phướng án thứ nhất thì năng lượng tại
mỗi tọa độ tín hiệu rất nhỏ, khó có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống. Một điều khác biệt nhất của hệ thống thông tin trải phổ so với các hệ
thống thông tin thông thường là: với cách gây nhiễu chọn lọc theo toạ độ thì
tại máy thu chỉ có tín hiệu trải phổ mới tương quan với mã trải phổ và được
khôi phục lại còn các tín hiệu nhiễu tuy có mức công suất khá lớn nhưng khi
đó sẽ biến thành dạng tương tự như tạp âm AWGN và công suất khá nhỏ. Quá
trình này được minh hoạ trong hình 2-2.
22
Như vậy ta nhận thấy rằng, bằng việc trải phổ tín hiệu thì tác động của
nhiễu cố ý bị giảm đi đáng kể.
b. Khả năng bảo mật
Song song với việc chống nhiễu cho các hệ thống thông tin thì bảo đảm
tính bí mật của một hệ thống thông tin cũng là một vấn đề quan trọng. Việc
bảo đảm tính bí mật của hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Một trong
những yếu tố phải kể đến đó là mật độ năng lượng của tín hiệu. Để tăng tính
bảo mật của hệ thống, tăng khả năng chống bị phát hiện và thu trộm thì năng
lượng tín hiệu phát đi phải rất thấp. Thế nhưng mật độ năng lượng của tín
hiệu thấp thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N thấp theo, điều này đồng nghĩa với
chất lượng của hệ thống giảm.
Vấn đề này chỉ được giải quyết một cách hết sức hiệu quả khi hệ thống
thông tin trải phổ ra đời. Trong hệ thống trải phổ như đã được giới thiệu, phổ
của tín hiệu được trải ra trên một băng tần rất rộng do đó mật độ năng lượng
của tín hiệu khá thấp (người ta đã chứng minh được mật độ năng lượng của

tín hiệu trải phổ có thể thấp hơn tạp âm AWGN) và như vậy tín hiệu bị chìm
trong tạp âm nên khó có thể phát hiện được. Tuy nhiên, phổ của tín hiệu lại
được khôi phục nhờ việc giải trải phổ bằng mã trải phổ do đó tỷ số tín hiệu
trên tạp âm vẫn được bảo đảm.
c.Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple
Access)
Khi hình thành ý tưởng trải phổ tín hiệu, người ta chỉ mong muốn với
mục đích chống nhiễu và bảo mật cho hệ thống thông tin. Tuy nhiên sau này
người ta còn phát hiện ra một khả năng to lớn của trải phổ là khả năng đa truy
nhập của hệ thống. Đây không chỉ là một ưu điểm thực sự hấp dẫn cho thông
tin quân sự mà đặc biệt trong thông tin thương mại. Trước đây đối với một
băng tần nhất định, thì ta chỉ có thể đáp ứng cho một số lượng hạn chế người
23
sử dụng. Còn đối với kỹ thuật trải phổ, về mặt lý thuyết ta có thể đáp ứng cho
một số lượng người sử dụng rất lớn bằng cách phân phối cho mỗi đối tượng
một mã trải phổ riêng biệt có độ tương quan chéo thấp so với các mã của
những người khác. Tại phía thu, bằng việc sử dụng tín hiệu mã của chính phía
phát, chỉ có tín hiệu phát đi chủ định mới được nén phổ, còn các tín hiệu phát
cho những người sử dụng khác vẫn là tín hiệu phổ rộng. Vì vậy trong phạm vi
bằng tần thông tin, công suất phát của người sử dụng chủ định sẽ lớn hơn
công suất nhiễu với điều kiện số nguồn nhiễu không quá lớn.
2.2.3. Phân loại kỹ thuật trải phổ
Căn cứ vào cấu trúc và phương pháp điều chế người ta phân loại kỹ
thuật trải phổ như sau:
• Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence)
• Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping)
• Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping)
• Trải phổ lai ghép: FH/DS, TH/FH, TH/DS và DS/FH/TH
a. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence)
Hệ thống trải phổ DS/SS đạt được trải phổ bằng cách nhân trực tiếp tín

hiệu mang thông tin với tín hiệu giả ngẫu nhiên. Ở hệ thống này nhiều người
sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời.
Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy tín hiệu mong muốn
bằng cách giải trải phổ. Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ
thống thông tin trải phổ vì chúng có dạng tương đối đơn giản và không yêu
cầu tính ổn định nhanh hoặc tốc độ tổ hợp tần số cao.
24
Hình 2-3. Trải phổ chuỗi trực tiếp.
b. Trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping)
Hệ thống trải phổ nhảy tần thực chất là sự chuyển đổi sóng mang ở một
tập hợp các tần số được chọn theo mã. Thành phần cơ bản của hệ thống là bộ
tạo mã PN và bộ tổ hợp tần số. Trong trải phổ nhảy tần độ rộng băng kênh sẵn
có W được chia nhỏ thành một số lớn các khe tần số không lấn lên nhau.
Trong bất kỳ khoảng thời gian truyền tin nào, tín hiệu được truyền đều chiếm
một (hay nhiều hơn một) khe tần số nói trên. Việc chọn khe (hay các khe) tần
số nào trong mỗi một khoảng thời gian truyền tín hiệu được thực hiện một
cách giả ngẫu nhiên theo tín hiệu lối ra của một bộ tạo chuỗi PN. Tốc độ nhảy
tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Trong trường hợp thứ nhất gọi
là nhảy tần nhanh và trong truờng hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm.
Hình 2-4. Trải phổ nhảy tần.
c. Trải phổ nhảy thời gian (TH – Time Hopping)
Nguyên lý của hệ thống này là toàn bộ dữ liệu của người dùng không
được phát liên tục mà được phát trong một khe thời gian thay cho M khe thời
25