Tiểu luận môn công nghệ vệ tinh Thiết kế hệ thống CDMA




 !"
#$
%"& !
'&(
)* +,'$
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Thiết kế hệ thống CDMA
MMT03 – 4/2012
CE03 - 5/2011
Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Bá Nhiệm
Thành viên nhóm:
08520236 Nguyễn Văn Minh
08520579 Lê Đặng Quang
08520048 Lê Thế Công
Thit k h thng CDMA
1.1. Sự phát triển của công nghệ trong thông tin di động
1.1.1. Tổng quan về hệ thống điện thoại di động tổ ong
1.1.1.1. Tổng quan :
Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong thì tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định
ở một kênh nào đó mà kênh đàm thoại đợc xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động đợc đồng
bộ về tần số một cách tự động. Vì vậy các ô kề nhau nên sử dụng tần số khác nhau, còn các ô ở
cách xa hơn trong một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó. Để các máy
di động có thể duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài sẽ điều khiển
các kênh báo hiệu hoặc kênh lực lợng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số
của máy di động thành một tần số thích hợp một cách tự động dẫn đến hiệu quả sử dụng tần số
tăng lên vì các kênh RF giữa các BS kề nhau có thể định vị 1cách có hiệu quả nhờ việc tái sử
dụng tần số do đó dung lợng

thuê bao đợc phục vụ sẽ tăng
lên .
Hình 1.1
1.1.1.2. Cấ u hình của hệ thống :
Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động, BS, MSC
(trung tâm chuyển mạch điện thoại di động).
+ Máy điện thoại bao gồm các bộ thu / phát RF , anten và bộ điều khiển
+ BS gồm các bộ thu /phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều
khiển, đầu cuối số liệu và nguồn
+ MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS, cung cấp chức năng điều khiển
trung tâm cho tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của
mạng điện thoại công cộng, MSC bao gồm bộ phận điều khiển bộ phận kết nối
cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi, cung cấp chức năng thu thập số liệu cớc đối với cuộc
gọi đã hoàn thành.
Các máy di động BS và MSC đợc liên kết với nhau thông qua đờng kết nối thoại và
số liệu. Mỗi máy di động sử dụng 1cặp kênh thu/phát RF vì các kênh lu lợng không
cố định ở 1kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào
sự di chuyển của máy di động trong suốt qúa trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể
thiết lập qua bất cứ kênh nào đã đợc xác định trong vùng đó. Tổng đài tổ ong kết
nối các đờng đàm thoaị để thiết lập cuộc gọi giữa các máy di động với nhau hoặc
với các thuê bao cố địnhvà trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đờng số liệu
giữa MSC và BS.
1.1.1.3. Sự phát triển của hệ thống tổ ong :
Hệ thống điện thoại di động thơng mại đầu tiên đợc đa vào áp dụng sử dụng băng
tần 150MHz tại Saint - Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh là 60KHz
và số lợng kênh bị hạn chế chỉ đến 3. Đây là hệ thống bán song công cho nên ngời
đàm thoại bên kia không thể nói đợc trong khi ngời bên này đang nói, việc kết nối
là nhận cũng nhờ điện thoại viên. Sau đó nhờ sự cải tiến mà hệ thống IMTS - MJ
bao gồm 11 kênh ở băng tần 150KHz và hệ thống ITMSMK bao gồm 12 kênh ở
băng tần 450 MHz đã đựơc sử dụng vào năm 1969 đây là hệ thống song công và

1BS có thể phục vụ cho một vùng bán kính rộng tới 80 Km.
1.1.1.3.1. TDMA :
Trong thông tin TDMA nhiều ngời sử dụng 1 sóng mang và trục thời gian đợc chia
thành nhiều khoảng thời gian nhớ để dành cho nhiều ngời sử dụng sao cho không
có sự chồng chéo.
TDMA đợc chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp, Mỹ và Nhật sử dụng
TDMA băng hẹp, châu Âu sử dụng TDMA băng rộng, nhng cả hai hệ thống này đ-
ợc coi nh là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì thực tế ngời sử dụng dùng các kênh
đợc ổn định cả về tần số và khe thời gian trong băng tần.
Ngời sử dụng 1 Ngời sử dụng 2 Ngời sử dụng 3
Khe thời
gian 1
Khe thời
gian 2
Khe thời
gian 3
Khe thời
gian 4
Khe thời
gian 5
Khe thời
gian 6
30KHz
1.1.1.3.2. GSM (Group Special Mobile) :
GSM là hệ thống thông tin số của châu Âu tơng thích với hệ thống báo hiệu số 7.
Chúng sử dụng hệ thống TDMA với cấu trúc khe thời gian tạo nên sự linh hoạt
trong truyền thoại, số liệu và thông tin điều khiển.
Hệ thống GSM sử dụng băng tần (890 - 960) MHz để truyền tín hiệu từ máy di
động đến BS và băng tần (935 - 960) MHz để truyền tín hiệu từ BS đến máy di
động.

CÊu tróc khung cña hÖ thèng GSM :
0 1 2 2047
1 siªu khung = 51 ®a khung (6,12s)
0 1 2 50
or
1 siªu khung = 26 ®a khung (6,12s)
0 1 25
26 khung ®a khung (120ms)
51 khung ®a
khung (235,4ms)
0 1 2 25 0 1 2 50
0 1 2 3 4 5 6 7
1 khung TDMA = 8 khe thời gian (4,615ms)
1.1.1.3.3. CDMA :
Lý thuyết về CDMA đã đợc xây dựng từ những năm 1980 và đợc áp dụng trong
thông tin quân sự từ năm 1960 cùng với sự phát triển của công nghệ bán dãn và lý
thuyết thông tin vào năm 1980 CDMA đã đợc thơng mại hoá từ phơng pháp thu
GRS và ommi - Tracs, phơng pháp này đợc đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qual
Comm - Mỹ vào năm 1990.
Trong thông tin CDMA nhiều ngời sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp
âm giả ngẫu nhiên) với sự tơng quan chéo thấp đợc ấn định cho mỗi ngời sử dụng;
Ngời sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng của PN đã đợc
ấn định, đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên nh đầu phát và khôi phục lại tín hiệu
dự định nhờ sự trải phổ ngợc các tín hiệu đồng bộ thu đợc.
1.2. Hệ thống thông tin di động CDMA - IS95
1.2.1. Giao diện vô tuyến và truyền dẫn :
1.2.1.1. Các kênh vật lý :
Các kênh vật lý tơng ứng với tần số và mã kênh. Trong hệ thống CDMA - IS95 có
thể làm việc với 1cặp tần số với 1tần số cho đớng xuống (Từ BTS đến di động) và
một tần số cho đờng lên (Từ trạm di động đến trạm BTS) với độ rộng băng tần cho

mỗi kênh là 1,23 MHz (phổ của mỗi kênh ở mức 3dB

1,23 MHz ở dải dành cho
thông tin di động). Tần số đờng xuống bao giờ cũng lớn hơn tần số đờng lên
45MHz. Để tăng dung lợng của mạng CDMA - IS95 có thể sử dụng kết hợp FDMA
khi đó hệ thống CDMA có thể có nhiều kênh tần số.
1.2.1.2. Các kênh lô gíc :
Các kênh lô gíc là các kênh vật lý mang một thông tin cụ thể nào đó có thể là thông
tin về lu lợng hay thông tin về báo hiệu thông tin điều khiển các kênh máy đợc
phân chia theo đờng xuống (Từ BTS đến MS - còn gọi là kênh đi) và kênh theo đờng
lên (Từ MS đến BTS - còn gọi là kênh về).
- . /
01 0.
234. 56 7(8 !(9:
- .&
;.4' <. '
  =  ->6
%?:<2&
 /@0
H×nh 4 : CÊu tróc kªnh l« gÝc CDMA híng lªn vµ híng xuèng :
H×nh 5 : CÊu tróc kªnh lu lîng :
+ Sắp xếp các kênh vật lý cho đờng xuống ở CDMA - IS95 :
Tất cả các tín hiệu đợc phát ra từ trạm gốc qua 1ăng ten hình quạt đợc đa ra nh
trong hình, 63 kênh hớng đi đợc phân loại tiếp thành 7 kênh nhắn tin (giá trị chịu
đợc lớn nhất) và 55 kênh lu lợng
Kênh phụ
điều
khiển
công suất
máy di

động
Số
liệu lu
lợng
Kênh
lu l-
ợng
25
Kênh
lu l-
ợng
24
Kênh
nhắn
tin 7
Kênh
lu l-
ợng N
Kênh
lu l-
ợng 1
Kênh
nhắn
tin 1
Kênh
đồng
bộ
Kênh
dẫn đ-
ờng

63
W
32
W
1
W
7
W
8
W
32
W

W
- Kênh dẫn
đờng và kênh đồng bộ phục vụ sự khởi tạo của MS ở trạng thái chờ MS (Mobile
System) cần đến các kênh nhắn tin phục vụ vào việc truy cập vào mạng để thiết lập
cuộc gọi. Trạm gốc dùng sự lệch thời gian (Tin off set) Của kênh dẫn đờng làm căn
cứ cho MS nhận dạng kênh hớng xuống (Có 512 lệch thời gian khác nhau) lệch thời
gian đợc dùng trong quá trình chuyển giao khi MS bật nguồn thì kênh đồng bộ
cung cấp cho MS các tin tức định thời và tin tức về cấu hình hệ thống, kênh đồng
bộ dùng mã trải phổ PN (120 b/s) hiện phục vụ 1cuộc gọi, kênh lu lợng có các tốc
độ truyền dẫn : 9600, 4800 hay 1200 bít/s, khung lu lợng đờng xuống dài 20MS,
kênh lu lợng đợc điều khiển bằng các bản tin sau :
+ Điều khiển thiết lập cuộc gọi
+ Điều khiển chuyển giao (Handover)
+ Điều khiển công suất
+ Nhận tín hiệu và bảo mật
- Kênh nhắn tin :
Sau khi nhận đợc thông tin từ kênh đồng bộ trạm di động (MS) điều chỉnh định thời

của nó và bắt đầu theo dõi kênh nhắn tin (9600 hoặc 4800 bít/s) kênh nhắn tin có 4
tin tức căn bản :
+ Bản tin tham số hệ thống, các tham số đăng ký và chi tiết kênh dẫn đờng
+ Bản tin tham số truy cập
+ Bản tin liệt kê về các lu lợng kế cận
+ Bản kê kênh CDMA
Một kênh tìm gọi có tốc độ 9600 bits có thể đảm bảo 180 cuộc gọi /S mỗi trạm di
động chỉ đợc quyền theo dõi 1kênh tìm gọi, kênh tìm gọi này có thể quyết định
1cách ngẫu nhiên trong số tất cả các kênh tìm gọi có thể. Kênh tìm gọi có 1 chế độ
đặc biệt gọi là chế độ khe ở chế độ này các bản tin cho 1trạm di động chỉ đợc phát
đi ở các khoảng thời gian định trớc. Vì vậy cho phép 1trạm di động có thể giảm
công suất ở các khe thời gian không dành cho nó nhờ vậy tiết kiệm đáng kể năng l-
ợng ở nguồn ắc quy cho các máy cầm tay.
Sắp xếp các kênh vật lý cho đờng lên ở CDMA - IS95
Kênh CDMA hớng đi
(Kênh vô tuyến 1,23MHz phát từ trạm gốc)
;.-ABCD
E;.D,'FG2H9&IJ(K
;.J,9: ;.J,9: ;.& ;.&(

-LM(N*$$3>
Kênh hớng về của hệ thống CDMA sử dụng trình tự nhị phân dài 32,768 các tín
hiệu của máy di động khác đợc phân biệt nhờ trình tự 2
42
- 1 và khoảng thời gian đa
ra cho mỗi khách hàng. Thông tin số để đợc truyền đi có độ dài bắt buộc là 9 và tỷ
lệ mã hoá của nó là mã xắn 1/3 (Đợc mã hoá thành 3 ký hiệu nhị phân cho 1bít
thông tin), thông tin mã hoá đợc chèn vào khoảng trống 20MS và thông tin đợc
chèn đợc nhóm thành các nhóm 6 ký hiệu (các từ mã) sử dụng mã này 1trong 64
hàm Walsh.

Trong kênh hớng về của CDMA các kênh sử dụng tần số đợc phân bổ làm trung
tâm đợc điều chế bù pha 1/4 bởi 1cặp mã PN và đợc điều chế bù pha 1/2 bởi mã PN
dài.
Kênh truy nhập đảm bảo thông tin từ trạm di động đến trạm gốc khi trạm di động
không sử dụng kênh lu lợng. Kênh này luôn làm việc ở tốc độ 4800 b/s các bản tin
truy nhạp luôn cung cấp các thông tin về : khởi xớng cuộc gọi, trả lời cuộc gọi, các
lệnh và đăng ký. Các kênh truy nhập tạo ra các cặp với tất cả các kênh nhắt tin và
từng kênh truy nhập đợc nhận dạng thông qua sử dụng mã dài PN khác. Trạm gốc
thực hiện trả lời các tín hiệu kênh truy nhập nhất định thông qua các bản tin kênh
nhắn tin, máy di động trả lời bản tin thông qua các kênh truy nhập tơng ứng với
chúng. Tốc độ truyền dẫn của các kênh truy nhập có thể thay đổi theo các kiểu
truyền dẫn và các nhóm maý để các kênh này có thể sử dụng đối với các trờng hợp
khẩn cấp hoặc đối với bảo trì và sửa chữa.
1.3. C¸c kü thuËt sö lý vµ truyÒn dÉn v« tuyÕn sè ë hÖ thèng CDMA - IS95 :
-6 .
'O9 
nguån tin
1.3.1. Sơ đồ khối chung của thiết thị thu phát vô tuyến ở HTTT di động:
Ký hiệu : Tùy chọn
Bắt buộc
Các khối trên bao gồm : Lập khuân, mã hoá nguồn, mật mã, mã hoá kênh, ghép
kênh, điều chế và đa truy nhập cho thấy quá trình biến đổi tín hiệu từ nguồn đến
máy phát, các khối dới cho thấy quá trình bién đổi từ máy thu đến nơi nhận máy
phát gồm các tầng biến đổi nâng tần, khuyếch đại công suất và ăng ten, máy thu
gồn ăng ten, bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ, bị biến đổi hạ tần và khuyếch đại trung
tần. Trong các bớc sử lý tín hiệu lập khuân, điều chế và giải điều chế là các bớc bắt
buộc.
+ Lập khuân thực hiện biến đổi nguồn tin và các ký hiệu số để nguồn tin tơng thích
với quá trình sử lý ở hệ thống.
+ Điều chế : Thực hiện biến đổi các ký hiệu vào và các dạng sóng thích hợp với

kênh truyền dẫn vô tuyến.
+ Mã hoá nguồn : Biến đổi tơng tự vào số, loại bỏ các thông tin thừa không cần
thiết.
+ Mật mã hoá : Ngăn không cho kẻ lạ hiểu đợc thông tin và đa vào các thông tin
giả.
+ Mã hoá kênh : giảm xác xuất lỗi
+ Trải phổ : Tạo ra tín hiệu ít bị ảnh hởng của nhiễu, tăng độ bảo mật của tín hiệu.
+ Ghép kênh và đa truy nhập : Cho phép kết hợp với các đặc tính khác nhau hoặc
các nguồn khác nhau để chia sẻ tài nguyên vô tuyến.
1.3.2. Mã hoá tiếng ở các hệ thống thông tin di động CDMA :
* Codec tốc độ khả biến tăng cờng, EVRC (Enhonced Variable Rate Codec) EVRC
cho phép giảm số bít cần thiết cho các hệ số dự đoán tuyến tính và tổng hợp độ cao
cho phép, nhờ vậy EVRC cho chất lợng tiếng cao hơn EVRC cho phép giảm tốc độ
bít trên khung cần để thể hiện độ cao và cho phép bổ xung các bít cho kích thích
ngẫu nhiên và bảo vệ kênh. EVRC phân loại tiếng thành các khung 20MS : toàn tốc
(8,55 Kbpf), tốc độ 1/2 (4Kbps) và tốc độ 1/8 (0,8 Kbps)
* Sơ đồ khối chức năng của EVRC :

1.3.3. Thủ tục phát thu tín hiệu :
Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát đợc mã hoá lặp, chèn và đợc nhân với
sóng mang fo và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128).
Tín hiệu đã đợc điều chế đi qua 1bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25 Mhz, sau
đó phát xạ qua ăng ten.
ở đầu thu sóng mang và mã PN của tín hiệu thu đợc từ ăng ten đa đến bộ tơng quan
qua bộ lọc băng thông độ rộng bằng 1,25 Mhz và số liệu thoại mong muốn đợc tách
ra để tái tạo lại số liệu thoại nhờ sử dụng bộ tách chèn và giải mã.
Hình : Sơ đồ phát thu CDMA
1.3.4. Các đặc tính của CDMA :
1.3.4.1. Tính đa dạng của phẩn tập :
Trong hệ thống điều chế băng hẹp nh điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống

điện thoại tổ ong thì tính đa đờng tạo nên nhiều pha đinh nghiêm trọng, tính
nghiêm trọng này đợc giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua
các đờng khác nhau đợc thu nhận một cách độc lập.
Phân tập là 1 hình thức tốt để làm giảm pha đinh : Có 3loại phân tập :
+ Phân tập theo thời gian
+ Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 Mhz
+ Phân tập theo khoảng cách (theo đờng truyền) 2cặp ăng ten thu của BS, bộ thu đa
đờng và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm) phân tập theo thời gian đạt đợc
nhờ việc sử dụng việc chèn và mã sửa sai.
Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả
năng báo hiệu trong một băng tần rộng và pha đinh liên hợp với tần số thờng có ảnh
hởng đến băng tần báo hiệu (200ữ300)KHz
1.3.4.2. Điều khiển công suất CDMA :
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2chiều (Từ BTS đến
máy di động và ngợc lại). Mục đích điều khiển công suất phát của máy di động để
cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể thu đợc
với độ nhậy trung bình tại bộ thu của BS. Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu thu
từ máy di động tơng ứng thành thông tin số băng hẹp còn tín hiệu của các máy di
động khác chỉ còn là tín hiệu tạp âm của băng rộng.
Máy di động điều khiển công suất phát theo sự biến đổi công suất thu đợc từ BS và
điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo đợc.
Hình : Điều khiển công suất CDMA
BS thực hiện chức năng kích hoạt đối với mạch đóng điều khiển công suất từ máy
di động đến BS, BS so sánh tín hiệu thu đợc với giá trị ngỡng và điều khiển công
suất tăng hay giảm sau mỗi khoảng thời gian 1,25 MS. Mục đích của điều khiển
công suất là làm giảm công suất phát của máy di động khi rỗi hoặc ở gần BS, làm
cho pha đinh đa đờng thấp, giảm hiệu ứng bóng râm, giảm giao thoa đối với các BS
khác.
1.3.4.3. Bộ mã - Giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi :
Bộ mã - giải mã của hệ thống CDMA thiết kế với các tốc độ biến đổi 8 Kb/s.

Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu
thoại đợc mã hoá dùng để truyền tới bộ mã - giải mã.
1.3.4.2.1. Điều khiển công suất mạch vòng hở trên kênh hớng về của CDMA :
Trong hệ thống CDMA tất cả các trạm gốc phát tín hiệu dẫn đờng ở cùng tần số và
tất cả các máy di động bắt đầu đồng bộ bằng sử dụng các tín hiệu dẫn đờng này, và
gốc tần số và thời gian để giải điều chế các tín hiệu thoại số đợc truyền đi từ mỗi
trạm gốc, máy di động đo tổng cờng độ tín hiệu dẫn đờng từ trạm gốc và cờng độ
tín hiệu nhận đợc từ tất cả các trạm gốc. Nếu cờng độ tín hiệu thu đợc cao công
suất của máy di động giảm xuống, trờng hợp tăng đột biến môi trờng kênh xảy ra
thì thiết bị điều khiển công suất mạch vòng theo kiểu tơng tự với vùng động 85 db
đáp ứng ngay trong 1ms. Các kênh đồng bộ từ mỗi trạm gốc gồm thông tin về công
suất phát của các kênh dẫn đờng và máy di động xác định công suất phát sử dụng
thông tin đó khi sử dụng các chức năng này có thể tạo ra sự chênh lệch giữa công
suất phát và hệ số tăng ích của ăng ten (ERP đầu ra) của trạm gốc dựa trên cơ sở
kích thích tế bào.
1.3.4.2.2 Điều khiển công suất mạch vòng kín trên kênh hớng về của CDMA :
Do sự tách biệt tần số 45 MHz giữa kênh hớng đi và hớng về vợt quá dải thông liên
kết của các kênh nên máy di động đợc giả thiết là các giá trị của tổn hao hai đa đ-
ờng dẫn giống nhau, do không có khả năng đo suy hao đờng dẫn hớng về mặc dù
có 1chênh lệch giữa suy hao đa đờng trên kênh hớng đi để đo ở máy di động và suy
hao đa đờng của kênh hớng về. Phơng pháp đo này cung cấp giá trị trung bình
chính xác cho công suất phát nhng 1 phơng pháp phụ đợc cần tới để tính toán giao
thoa Rayleigh chỉ ra các tính chất khác nhau trên 2 kênh.
Để bù giao thoa Rayleigh độc lập nhau trên các kênh hớng đi và hớng về, công suất
phát của máy di động đợc điều khiển bởi các tín hiệu từ trạm gốc. Các bộ giải điều
chế ở mỗi trạm gốc đo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của máy di động so sánh với tỷ lệ
tín hiệu trên tạp âm đã chỉ định và phát các lệnh điều khiển tới máy di động qua
kênh hớng đi. Lệnh điều khiển đợc phát ra từ trạm gốc tăng hay giảm công suất
phát của máy di động so với giá trị thiết lập ban đầu (thờng là 0,1 dB) cứ phát 1,25
ms một lần lệnh điều khiển đầu ra có thể theo dõi giao thoa Rayleigh trên kênh h-

ớng về.
Các bộ điều khiển hệ thống ở MSC cung cấp các bộ điều khiển cho mỗi trạm gốc
với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm dựa vào tỷ lệ lỗi của các máy di động đợc phát tới bộ
điều khiển kênh đợc sử dụng cho xác định tăng hay giảm công suất phát của mỗi
máy di động.
1.3.4.2.3. §iÒu khiÓn c«ng suÊt trªn kªnh híng ®i cña CDMA :