Đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu triển khai mạng thông tin di động thế hệ 2GSM lên thế hệ 3WCDMA

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
lời mở đầu
Điện thoại di động là một trong những thành tựu nổi bật về công
nghệ viễn thông. Kể từ khi có sự ra đời của chiếc điện thoại, vị trí của nó
trên thị trờng đã phát triển một cách chóng mặt, từ một thiết bị mang tính
chuyên dụng cho tới thiết bị thiết yếu cho cuộc sống và kinh doanh.
Qua những thập niên gần đây sự phát triển vợt trội về công nghệ và
dịch vụ kết hợp với giảm giá thành đáng kể của các loại hình dịch vụ, thông
tin di động đã phát triển không ngừng, nó mang lại cho Ngời sử dụng nhiều
lợi ích không thể phủ nhận đợc. Cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ
thuật hiện đại, sự đổi mới công nghệ, thông tin di động cũng phải phát triển
theo hớng tích cực, cùng với sự phát triển đó xu hớng tiến lên 3G là tất yếu
đã đợc triển khai tại nhiều nớc trên thế giới.
Những nhà cung cấp dịch vụ ví dụ nh GSM muốn lợi dụng những u
điểm của GSM cùng với cơ sở hạ tầng của nó để chuyển sang WCDMA.
Thiết bị đầu cuối của thế hệ 3G thích hợp cả công nghệ GSM và
WCDMA nên khách hàng có thể sử dụng một cách linh hoạt và mềm dẻo
khi di chuyển giữa các vùng phủ sóng của GSM và WCDMA. Tuy nhiên do
tích hợp cả công nghệ GSM - WCDMA nên nhà sản xuất thiết bị và nhà
cung cấp dịch vụ 3G phải có một cơ chế chuyển giao giữa hai công nghệ.
Tại Việt Nam hiện nay có 6 nhà cung cấp dịch vụ di động:
- Mobilefone, Vinaphone, Viettel sử dụng công nghệ GSM
- HT Mobile, S-fone, EVN telecom sử dụng công nghệ CDMA.
Các nhà cung cấp dịch vụ này mang lại cho khách hàng nhiều sự lựa
chọn, các nhà cung cấp dịch vụ này muốn chiếm đợc thị phần ngoài việc
phải giảm giá thành dịch vụ phải tiến hành cải tiến công nghệ để đem lại
cho khách hàng nhiều những dịch vụ tiện ích hơn. Do đó xu hớng phát triển
lên 3G là xu hớng tất yếu. Đồ án có tên là: "Nghiên cứu triển khai mạng
thông tin di động thế hệ 2GSM lên thế hệ 3WCDMA".
1
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng

Đồ án gồm có 4 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G.
Chơng này trình bày về tình hình thị trờng và xu hớng phát triển lên
3G trên thế giới, các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3, lý
thuyết liên quan tới công nghệ WCDMA.
Chơng 2: Công nghệ WCDMA và hệ thống UMTS
Chơng này nghiên cứu về đặc trng của công nghệ WCDMA và kiến
trúc hệ thống UMTS.
Chơng 3: Lộ trình chuyển đổi từ các hệ thống 2G lên 3G.
Chơng này nghiên cứu lộ trình phát triển các hệ thống 2G lên 3G, so
sánh hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA với các hệ thống thông
tin di động thế hệ 2 và so sánh hai tiêu chuẩn WCDMA và cdma 2000.
Chơng 4: Chuyển giao từ 2G lên 3G.
Chơng này trình bày một số vấn đề lý thuyết chuyển giao trong các hệ
thống thông tin di động.
Do nội dung của đề tài tơng đối rộng, điều kiện thời gian cũng nh kiến
thức còn hạn chế, nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận đợc sự chỉ bảo của Thầy cô giáo và ý kiến đóng góp của các
bạn đọc để đề tài chính xác đầy đủ và phong phú hơn.
Để hoàn thành đồ án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn kể đến sự
đóng góp của nhiều ngời. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo Tr-
ờng Đại học Phơng Đông, các thầy cô giáo trong khoa CNTT, những ngời
đã dậy dỗ em trong suốt thời gian em học tập tại trờng. Em xin gửi lời cảm
ơn đặc biệt tới thầy giáo PGS.TS Thái Hồng Nhị đã tận tình hớng dẫn em
trong suốt thời gian em làm đồ án tốt nghiệp.
2
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Chơng 1
tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G
1.1. Tình hình thị trờng thông tin di động trên thế giới

1.1.1. Sự tăng trởng của thị trờng hiện nay
Ngày nay có tới hơn 574 mạng GSM đang hoạt động tại 190 n-
ớc/vùng lãnh thổ trên thế giới. Thêm vào đó là số lợng lớn ngời sử dụng hệ
thống PDC của Nhật, các chuẩn D-AMPS và CDMA.
Cho tới nay có khoảng 3.8 tỷ thuê bao di động trên toàn cầu, khoảng
hơn 2.17 tỷ trong số đó là thuê bao sử dụng công nghệ SGM. Rất nhiều
trong số họ sẽ bắt đầu sử dụng truy nhập vô tuyến cho các ứng dụng số liệu
ví dụ nh nhắn tin, truy nhập mạng LAN, truy nhập Internet, Intranet, hội
nghị truyền hình, gửi và nhận ảnh chất lợng cao
Hình 1.1: Phân bố thuê bao di động trên thế giới
Mạng thông tin di động 2G đã rất thành công trong việc cung cấp dịch
vụ tới ngời sử dụng trên toàn thế giới, nhng số lợng ngời sử dụng tăng nhanh
hơn nhiều so với sự kiến ban đầu. Có thể đa ra các thống kê về sự tăng trởng
của thị trờng di động phân đoạn theo công nghệ nh hình 1.2.
3
GSM
IS54
IS95
PDC
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Hình 1.2: Sự tăng trởng thị trờng di động phân loại theo công nghệ
Đối với các nớc phát triển, tỷ lệ ngời sử dụng điện thoại di động đợc dự
đoán sẽ rất cao trong những năm tới, một ngời sử dụng nhiều máy di động
phục vụ cho các mục đích khác nhau. Tất cả kết quả và dự báo này gợi ý một
tiềm năng rất lớn cho các thuê bao di động tại Việt Nam.
1.1.2. Thị trờng tiềm năng
Bên cạnh những thuê bao di động truyền thống hiện nay, có thể tin tởng
rằng rất nhiều máy di động có thể đợc thiết kế đặc biệt phục vụ cho các mục
đích khác nhau giao dịch, thông tin chỉ dẫn điểm tới điểm, điểm tới trung tâm.
Nh vậy tiềm năng thị trờng sẽ trở nên rất lớn.

Về nhu cầu truyền số liệu trên mạng cố định toàn cầu, tỷ lệ lu lợng
thông tin số liệu tăng nhanh hơn thông tin thoại và đợc dự báo sẽ chiếm tới
50% tổng lu lợng trên một số mạng cố định. Tại các khu vực nh vậy, Internet
đã trở thành yếu tố chủ đạo. Internet đã mở ra một hớng mới trong việc sử
dụng sức mạnh của máy tính trên các lĩnh vực thơng mại và giải trí.
Thị trờng số liệu trên mạng di động đợc dự báo sẽ chiếm khoảng 50%
tổng lu lợng trong vòng 10 năm tới.
4
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Một điểm đáng chú ý là Internet và mạng điện thoại số có cùng một
hình mẫu phát triển, bởi vậy có thể tiên đoán rằng Internet qua mạng vô tuyến
cũng sẽ là một tiềm năng và có cùng một hình mẫu nh vậy nếu cung cấp đợc
dịch vụ và ứng dụng hợp lý.
Mặt khác, khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển,
không chỉ số lợng ngời sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trờng,
mà ngời sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch
vụ cuộc gọi và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng 2G. Nhu cầu
của thị trờng có thể phân loại thành các lĩnh vực sau:
Dịch vụ dữ liệu máy tính (Computer Data)
+ Số liệu máy tính (Computer Data)
+ E-mail
+ Truyền hình ảnh thời gian thực (Real time image transfer)
+ Đa phơng tiện (Multimedia)
+ Tính toán di động (Computing)
Dịch vụ viễn thông (Telecommunication)
+ Di động (Mobility)
+ Hội nghị truyền hình (Video conferencing)
+ Điện thoại hình (video Telephony)
+ Các dịch vụ số liệu băng rộng (Wide band data services)
Dịch vụ nội dung âm thanh hình ảnh (Audio - videocontent)

+ Hình ảnh theo yêu cầu (Video on demand)
+ Các dịch vụ tơng tác hình ảnh (Interactive video services)
+ Th điện tử (Electronic newspaper)
+ Mua bán từ xa (Teleshopping)
+ Các dịch vụ Internet giá trị gia tăng (Value added internet services)
+ Dịch vụ phát thanh và truyền hình (TV& Radio contributions)
5
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
1.2. Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba
1.2.1. Các yêu cầu chung
Thông tin di động thế hệ 3 phải là hệ thống thông tin di động cho các
dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phơng tiện. Hộp th thoại sẽ đợc thay
thế bằng bu thiếp điện tử đợc lồng ghép với hình ảnh và các cuộc gọi thông th-
ờng trớc đây sẽ đợc bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình Dới đây
là một số các yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba này:
Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phơng tiện,
nghĩa là mạng phải đảm bảo đợc tốc độ bít lên tới 2 Mbps phụ thuộc
vào tốc độ di chuyển của máy đầu cuối: 2Mbps dự kiến cho các dịch
vụ cố định, 384 Kbps khi đi bộ và 144 Kbps khi đang di chuyển tốc
độ cao.
Mạng có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lợng) theo yêu
cầu. Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bít của các dịch vụ
khác nhau. Ngoài ra cần phải đảm bảo đờng truyền vô tuyến không
đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bít cao ở đờng xuống và tốc độ bít
thấp ở đờng lên hoặc ngợc lại.
Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, nghĩa là đảm
bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả
năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu.
Chất lợng dịch vụ phải không thua kém chất lợng dịch vụ mạng cố
định, nhất là đối với thoại.

Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông
tin vệ tinh.
Bộ phận tiêu chuẩn của ITU - R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT
- 2000. IMT - 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ
và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trờng thông tin. Mục đích của
IMT - 2000 là đa ra nhiều khả năng mới nhng cũng đồng thời đảm
bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
vào những năm 2000. Thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) xây dựng
6
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
trên cơ sở IMT - 2000 đã đợc đa vào hoạt động năm 2001. Các hệ
thống 3G cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: Thoại, số
liệu tốc độ bit thấp và bit cao, đa phơng tiện video cho ngời sử dụng
làm việc cả môi trờng cộng đồng lẫn t nhân (vùng công sở, vùng dân
c, phơng tiện vận tải ).
1.2.2. Các tiêu chuẩn xây dựng IMT - 2000
Sử dụng dải tần quốc tế 2GHZ:
+ Đờng lên (1885 - 2005) Mhz
+ Đờng xuống (2110 - 2200) Mhz
Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin
vô tuyến:
+ Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến
+ Tơng tác với mọi loại dịch vụ viễn thông
Sử dụng các môi trờng khai thác khác nhau:
+ Trong công sở
+ Ngoài đờng
+ Trên xe
+ Vệ tinh
Có thể hỗ trợ các dịch vụ nh:
+ Môi trờng thơng trú ảo (VHE) trên cơ sở mạng thông minh, di

động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phơng tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch gói.
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện:
Môi trờng hoạt động của IMT - 2000 đợc chia làm 4 vùng với các tốc
độ bít R
b
phục vụ nh sau:
+ Vùng 1: trong nhà, picocell, R
b
Mbps
7
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
+ Vùng 2: thành phố, microcell, R
b
384 Kbps
+ Vùng 3: ngoại ô, macrocell, R
b
144kbps
+ Vùng 4: toàn cầu, R
b
= 9,6 Kbps
Có thể tổng kết các dịch vụ do IMT - 2000 cung cấp ở bảng 1.1 dới đây
Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết
Dịch vụ
di động
Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch vụ
Dịch vụ thông
tin định vị

Theo dõi di động/theo dõi di động thông minh
Dịch vụ
viễn
thông
Dịch vụ âm
thanh
- Dịch vụ âm thanh chất lợng cao (16-64Kbps)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 Kbps)
- Dịch vụ truyền thanh FM (64 - 144 Kbps)
Dịch vụ số liệu
- Dịch vụ số liệu trung bình (64 - 144Kbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ tơng đối cao (144Kbps) -
2Mbps)
- Dịch vụ số liệu tốc độ cao ( 2Mbps)
Dịch vụ đa ph-
ơng tiện
- Dịch vụ video (384Kbps)
- Dịch vụ ảnh động (384 Kbps - 2Mbps)
- Dịch vụ ảnh động thời gian thực (2Mbps)
Dịch vụ
Internet
Dịch vụ Internet
đơn giản
- Dịch vụ truy nhập Web (384 Kbps - 2Mbps)
Dịch vụ Internet
thời gian thực
- Dịch vụ Internet (384 Kbps - 2Kbps)
Dịch vụ Internet
thời gian thực
- Dịch vụ Website đa phơng tiện thời gian thực

(2Mbps)
Bảng 1.1: Phân loại các dịch vụ ở IMT - 2000
Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3, các
tổ chức quốc tế sau đây đợc hình thành dới sự điều hành chung của ITU:
3GPP: Bao gồm các thành viên sau:
+ TSI: Châu Âu; TTA: Hàn Quốc; ARIB, TTC; Nhật, T1P1: Mỹ
3GPP2: Bao gồm các thành viên sau:
+ TIA, T1P1: Mỹ; TTA: Hàn Quốc; ARIB, TTC: Nhật
Hiện nay hai tiêu chuẩn đã đợc chấp thuận cho IMT - 2000 là:
8
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
WCDMA đợc xây dựng từ 3GPP.
Cdma 2000 đợc xây dựng từ 3GPP2.
Hai hệ thống đều sử dụng công nghệ CDMA bắt đầu đợc đa vào hoạt
động trong những năm đầu của thập kỷ 2000, điều này cho phép thực hiện
tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba.
WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA nh GSM, PDC, IS-135, cdam 2000
là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng
công nghệ CDMA: IS - 95.
Hình 1.3. Mô hình mạng IMT 2000
Ký hiệu: TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối
UI (User Interface): Giao diện ngời sử dụng.
Châu Âu sử dụng hệ thống thế hệ thứ hai là DSC 1800 ở băng tần (1710
- 1755) Mhz cho đờng lên và (1805 - 1850) Mhz cho đờng xuống. ở Châu Âu
và hầu hết các nớc Châu á băng tần của AMT - 2000 là 2 x 60Mhz (1920 -
9
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
1980 Mz cộng với 2110 - 2170 Mhz) có thể sử dụng cho WCDMA FDD. Băng

tần sử dụng cho TDD ở Châu Âu thay đổi, băng tần đợc cấp theo giấy phép có
thể là 25Mhz cho sử dụng TDD ở (1900 - 1920) và (2020 - 2025) Mhz. Băng
tần cho các ứng dụng TDD không cần xin phép (SPA - Self Provieded
Application: ứng dụng tự cấp) có thể là (2010- 2020) Mhz. Các hệ thống FDD
sử dụng các băng tần khác nhau cho đờng lên và đờng xuống với phân cách là
khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đ-
ờng lên và đờng xuống.
Nhật sử dụng hệ thống thế hệ hai là PDC, còn Hàn Quốc sử dụng hệ
thống thế hệ hai là IS - 95 cho cả khai thác tổ ong lẫn PDS. ấn định phổ PCS ở
Hàn Quốc khác với ấn định phổ PSC ở Mỹ, vì thế Hàn Quốc có thể sử dụng
toàn bộ phổ tần quy định của IMT - 2000. ở Nhật một phần phổ IMT - 2000
TDD đợc sử dụng cho PHS (hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân).
ở Mỹ không còn phổ mới cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Các
dịch vụ của thế hệ ba sẽ đợc thực hiện trên cơ sở thay thế phổ tần của hệ
thống thông tin thế hệ ba bằng phổ tần của hệ thống PCS thế hệ hai hiện tại.
ở Trung Quốc phổ tần dành trớc cho PSC và WLL sử dụng một phần
phổ tần của IMT - 2000 mặc dù chúng cha đợc ấn định cho hãng khai thác
nào. Theo quyết định về phân định tần số, sẽ có đến 2 x 60 Mhz đợc sử
dụng cho WCDMA ở Trung Quốc. Phổ tần cho TDD cũng sẽ đợc sử dụng ở
Trung Quốc.
Cả nớc đã bắt đầu xin giấy phép cho sử dụng phổ tần của IMT - 2000.
Giấy phép đầu tiên đợc cấp cho Phần Lan vào 03/1999, sau đó là Tây Ban
Nha. Một số nớc cũng có thể đi theo quan điểm cấp phép giống nh GSM đợc
cấp phép ở Châu Âu. Tuy nhiên, một số nớc ban đầu giá phổ tần cho IMT -
2000 giống nh Mỹ bán đấu giá phổ tần cho PCS (nớc Anh chẳng hạn).
1.3. Trải phổ trong hệ thống thông tin di động
1.3.1.Nguyên tắc trải phổ trong CDMA
10
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Xuất phát từ nhu cầu thông tin quân sự, kỹ thuật trải phổ đợc nhìn từ

hai góc độ: Tăng độ chống nhiễu trong môi trờng truyền dẫn có nhiễu loạn vô
ý, nhiễu loạn cố ý và tìm các thuật toán để tăng hiệu quả gây cán nhiễu cho
các hệ thống thông tin xung quanh. Cuối những thập kỷ 90, các hệ thống
thông tin vô tuyến phát triển một cách mạnh mẽ, hầu nh các băng tần vô tuyến
đều bị chật, từ đó dẫn đến cán nhiễu mạnh giữa các hệ thống, hay còn đợc gọi
là giao thoa giữa các hệ thống.
Với các dịch vụ viễn thông mới ra đời, tốc độ truyền dẫn không ngừng
tăng lên, trong lúc các tham số của môi trờng vật lý biến đổi ngẫu nhiên do
các tác động bên ngoài gây ra hiện tợng truyền lan nhiều tia, hiện tợng che
khuất ảnh hởng của chúng đối với truyền tín hiệu biểu hiện dới dạng fading.
Hạn chế các hiện tợng đó là một trong những bài toán cơ bản của các công
trình nghiên cứu lý thuyết: điều chế, mã hoá, cân bằng Một trong những kết
quả quan trọng là đa công nghệ trải phổ vào ứng dụng trong thông tin thơng
mại, mở ra hớng phát triển mới, đặc biệt trong thông tin di động.
Có thể nói "trải phổ" là một kỹ thuật thực hiện điều chế lại tín hiệu đã
điều chế, tạo ra tín hiệu giao thoa với các tín hiệu đang cùng hoạt động trong
một băng tần nhng máy thu vẫn tách đợc tín hiệu mong muốn với đặc tính
chất lợng lỗi đã cho. Để đạt đợc điều đó, điều chế trải phổ phải giảm mật độ
công suất phát xuống dới mức nhiễu nhiệt của bất kỳ máy thu nào.
Kỹ thuật trải phổ không những đợc ứng dụng trong thông tin quân sự,
ra đa mà nay đã và đang phát triển mạnh mẽ trong thông tin thơng mại: viba,
di động, đa truy nhập, vệ tinh cũng nh thông tin sợi quang đa mode.
1.3.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp
Tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS) là tín hiệu trong đó biên độ của tín
hiệu đã điều chế đợc điều biên với một dòng số liệu nhị phân NRZ tốc độ rất
cao. Nh vậy, nếu tín hiệu ban đầu là s(t) có dạng BPSK:
ttdpts
s 0
cos)(2)(

=
(1.1)
Thì tín hiệu trải phổ DS là:
11
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
ttdtgtstgt
s 0
cos)()(2)()()(

==
(1.2)
ở đây g(t) là dãy nhị phân ngẫu nhiên giả tạp âm (PN) có các giá trị 1,
có chu kỳ rất dài. Dãy (PN) lý tởng phải thật sự ngẫu nhiên, không tơng quan.
Trong thực tế, không thể tạo ra đợc các dãy nh vậy, tốc độ ký hiệu của g(t) th-
ờng lớn hơn rất nhiều so với tốc độ bít f
b
của d(t), chúng ta nói g(t) đã băm
nhỏ các bít số liệu thành các nhịp và gọi tốc độ của g(t) là tốc độ chip f
c
.
Nhân dãy BPSK s(t) với g(t) sẽ làm trải phổ dãy s(t). Trên hình 1.4 có
thể thấy dãy số liệu d(t), dãy giả ngẫu nhiên g(t), dãy tích d(t) g(t). Các sờn
của d(t) và g(t), các sờn của g(t) đợc đồng chỉnh, nghĩa là mỗi thời điểm
chuyển tiếp của d(t) trùng với thời điểm chuyển tiếp của g(t).
(a) d(t)
(b) g(t)
(c) d(t).g(t)
Hình 1.4: Dạng số liệu, PN và tích d(t). g(t)
a) Dạng sóng số liệu
b) Dạng sóng chíp g(t)

c) Dạng sóng tích d(t) g(t)
Dãy tích gần giống với g(t), nếu g(t) thực sự là ngẫu nhiên thì dãy tích
sẽ là một dãy ngẫu nhiên khác g'(t) có cùng tốc độ chip f
c
nh g(t). Độ rộng
băng của tín hiệu BPSK s(t) thờng bằng 2f
b
, độ rộng băng của tín hiệu trải phổ
BPSK là 2f
c
và phổ đợc trải với hệ số f
c
/f
b
. Vì công suất của s(t) và e(t) là
giống nhau và bằng P
s
nên mật độ phổ công suất G
s
(t) giảm đi một lợng f
b
/f
c
.
Để khôi phục lại tín hiệu trải phổ DS, đầu tin máy thu nhận tín hiệu vào
với dạng sóng g(t), sau đó nhân sóng mạng
t
0
cos2

sau đó đa qua bộ tích
phân với khoảng thời gian tích phân bằng khoảng thời gian 1 bít và sau đó đầu
12
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
ra đợc lấy mẫu cho ta số liệu d(kT
b
). Để khôi phục đợc chính xác số liệu ban
đầu, đầu thu cần tái tạo lại sóng mang hình sin tần số
0

và dạng sóng PN là
g(t).
Máy phát Nhiễu Máy thu

)(t


)(
1
t


)(
0
t

Lấy mẫu T
h
d(t)
Kênh Đầu ra

tP
s 0
cos2

g(t) g(t)
t
0
cos2

Hình 1.5 - Hệ thống thông tin BPSK trải phổ
1.3.1.2. Sử dụng trải phổ trong CDMA
Một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật trải phổ là tạo ra
những phơng thức thông tin đã truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Ưu
điểm cơ bản của hệ thống CDMA là giảm đến mức bé nhất giao thoa giữa các
hệ thống tín hiệu khác nhau.
Trong CDMA, mỗi ngời dùng sử dụng một dãy PN khác nhau, hầu nh
không tơng quan với nhau. Để miêu tả nguyên lý hoạt động của CDMA, coi
tại mỗi thời điểm đã cho, mỗi ngời dùng truyền số liệu ở cùng một tần số sóng
mang f
0
, nếu trải phổ DS thì mã xác định của nó là g
i
(t). Nh vậy, mỗi máy thu
đều đợc biểu thị cùng một dạng sóng:

=
+=
k
i

iiis
ttdtgpt
1
0
)cos()()(2)(

(1.3)
Với giả thiết mỗi tín hiệu có cùng một công suất thu p
s
, mỗi dãy giả
ngẫu nhiên g
i
(t) có cùng tốc độ chip f
c
và d
i
(t) là số liệu đợc phát đi của ngời
dùng thứ i. Tốc độ số liệu của mỗi ngời dùng giống nhau f
b
,
i

là pha ngẫu
nhiên, độc lập thống kê với nhau. Để đơn giản ta bỏ qua nhiễu nhiệt.
Trong hệ thống k ngời dùng, mỗi ngời dùng cần một bộ tơng quan. ở
máy thu thứ nhất, nhân tín hiệu ở phơng trình (1.1) với g
i
(t) và nhân với
13
Tích phân

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
)cos(2
0 i
t

+
để tạo ra tín hiệu
01

đa sang mạch tích phân và quyết định.
Rút các thành phần ấy ra khỏi
01

ta có:

=
=
k
i
iiis
tdtgtgp
1
11
'
01
)cos()()()(

(1.4a)

=

+=
k
i
iiiss
tdtgtgptdp
1
111
'
01
)cos()()()()(

(1.4b)
Giả thiết tất cả g
i
đợc truyền cùng một lần. Trong trờng hợp này nếu đặt
g
1
(t). g
i
(t) = g
li
(t); cũng vậy cos (
1


i
) = cos
li

. Phơng trình (1.4b) trở thành:

=
+=
k
i
liliss
tgptdp
1
1
'
01
cos)()(

(1.5)
Có thể nhận thấy ngoài thành phần tín hiệu mong muốn, trong (1.5) có
k-1 tín hiệu giao thoa độc lập. Mật độ phổ công suất tổng của k-1 thành phần
giao thoa bằng tổng các mật độ phổ công suất tổng của k-1 thành phần giao
thoa bằng tổng các một độ phổ công suất thành phần. Mật độ phổ công suất
tổng của k-1 thành phần giao thoa trong (2.5) là:
b
c
s
j
ff
f
p
lkfG
4
)()(
(1.6)

Ta có thể tìm đợc xác suất lỗi bit:















=
b
c
c
f
f
k
erfep
1
1
2
2
1
(1.7)

Nh vậy, trong hệ thống CDMA để có xác suất lỗi thấp cần phải điều
chỉnh f
c
/f
b
sao cho:
2/)1( >> k
j
f
b
c
(1.8)
Trong (1.3) giả thiết mỗi tín hiệu đã phát đi đến máy thu có cùng công
suất p
s
. Khi công suấtthu đợc của mỗi ngời dùng không mong muốn lớn hơn
nhiều so với ngời dùng mong muốn thì lúc đó có thể xuất hiện lỗi. Điều này
xảy ra nếu không giải quyết tốt vấn đề gần - xa. Đây cũng là một vấn đề hạn
chế việc sử dụng các hệ thống DS hiện có nếu bài toán điều khiển công suất
không đợc giải quyết triệt để.
1.3.2. Mã giả tạp âm PN
14
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Để trải phổ cần có một dãy tín hiệu giả tạp âm PN, về lý thuyết đó phải
là một dãy thực sự ngẫu nhiên giống nh Gauss, nhng thực tế do ràng buộc của
kỹ thuật và công nghệ nên chỉ tạo ra các dãy giả ngẫu nhiên có chu kỳ lặp lại
ở giới hạn nào đó phụ thuộc vào độ dài của bộ ghi dịch tạo ra chúng và cấu
trúc các đờng liên kết. Hình 1.6 biểu thị một bộ tạo dãy PN tổng quát.
Hình 1.6 - Bộ tạo dãy PN
Trạng thái của các dãy PN đợc xác định bằng các giá trị logic của các

bộ ghi dịch, độ dài của dãy đợc xác định bằng:
12 =
N
L
(1.9)
Với N là số bộ ghi dịch.
Một số đặc tính của dãy PN: Giả sử g(i) biểu thị dãy PN, g(i+j) cũng là
dãy đó nhng dịch đi j chíp. Nếu các giá trị chip là các biến logic có giá trị 1
hoặc 0 thì:
)()()( kigjigig +=+
(1.10)
Sử dụng thuật toán EX - OR cho từng chip để tạo nên dãy g(i) và g(i+j)
nh (1.10). Nếu đặc trng cho hai trạng thái logic 1 và 0 là các điện áp + 1v và
-1v tơng ứng thì theo (1.10) có:
g(i) x g(i+j) = -g(i+k) (1.11)
Tính tơng quan của dãy PN: Nếu d(t) là dãy số liệu ngẫu nhiên thì hàm
tơng quan R
d
() = {d(t)d(t+{( )1.12 )
Và có dạng nh trên hình 1.7 với d(t) = 1v. Hàm tự tơng quan của dãy
PN là:
15
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
R
PN
() = E{g(t)g(t+)}
R
d
(t)
1

-T
c
0 T
c
t
Hình 1.7: Hàm tự tơng quan của số liệu ngẫu nhiên d(t)
Với g(t) có giá trị 1v. Mong muốn R
PN
(0) = 1. Bây giờ chúng ta tính
R
PN
() với = nT
c,
n là số nguyên và T
c
là khoảng thời gian chip. Từ (1.11) ta
có: R
PN
(=nT
c
) = E{g(t)g(t+nT
c
)} = E{-g(t+kT
c
)} (1.14)
Với g(t+kT
c
) là dãy PN và dĩ nhiên L chip có logic 1 lớn hơn số con số
0 là 1. Do đó giá trị trung bình của -g(t+kT
c

) là -1/L nh hình 1.8. Cuối cùng, vì
dãy có chu kỳ là LT
c
nên R
PN
() cũng có chu kỳ nh vậy.
Mật độ phổ công suất: Mật độ phổ công suất của dãy PN G
PN
(f) là biến
đổi Fourier của R
PN
(). Vì R
PN
() là tuần toàn với chu kỳ LT
c
nên G
PN
(f) sẽ
bao gồm các xung tại các điểm n(1/LT
c
) với n = 0, 1, 2 Thành phần G
PN
(0)
biểu thị thành phần dc của dãy PN. Trong một dãy g(t) có L chip thì số logic 1
lớn hơn số logic 0 là 1, do đó điện áp dc của g(t) là V/L với công suất dc đợc
chuẩn hoá là V
2
/L
2
, do đó G

PN
(0) = (V
2
/L
2
)

(f). Cuối cùng, nếu g(f) là ngẫu
nhiên thực sự thì mật độ phổ công suất của nó có dạng:
[(sin f/t
c
)/ (f/f
c
)]
2
. Từ G
PN
() suy ra:
G
PN
(f)
2
2
2
2
)/(
/(sin
)()(

+
+
++


=
Liff
Liff
L
f
ij
L
V
f
L
V
c
c
i
c

(1.15)
Và có biểu đồ thị trên hình 1.9
16
§å ¸n tèt nghiÖp SVTH: Ph¹m Thanh Tïng
H×nh 1.9: MËt ®é phæ c«ng suÊt cña d·y PN

17
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
1.3.3. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp BPSK
Dạng đơn giản nhất của trải phổ DS sử dụng điều chế trải phổ là điều
chế dịch pha nhị phân (BPSK). Điều chế BPSK lý tởng tạo ra sự biến đổi pha
tức thời của sóng mang 180
0
và về mặt toán học có thể đợc biểu thị bằng phép
nhân sóng mang với hàm c(t) có giá trị 1. Xét một sóng mang đã điều chế số
liệu đờng bao không đổi có công suất là P, tần số sóng mạng
0

và điều chế
pha
d

(t) xác định bởi:
)](cos[2)( ttptS
dod

+=
(1.16)
Tín hiệu này chiếm một băng thông thờng từ một nửa đến gấp đôi tốc
độ số kiệu trớc trải DS mà sự trải này phụ thuộc vào các chi tiết của điều chế
số liệu. Trải BPSK thực hiện bằng cách nhân S
d
(t) với hàm c(t), hình 1.10 mô
tả bộ phát trải phổ dãy trực tiếp. Tín hiệu phát đi là:
)](cos[)(2)( tttpctS
dod

+=
(1.17)
Tiến hiệu trong (1.17) đợc truyền qua một đờng truyền có méo với trễ
truyền dẫn T
d
. Tín hiệu thu đợc cùng với giao thoa và tạp âm Gaussian. Một
phần tín hiệu thu đợc giải điều chế bằng cách điều chế lại với mã trải trễ một
cách thích hợp nh trên hình 1.10. Việc điều chế lại hay tơng quan của tín hiệu
thu đợc với dạng sóng trải bị trễ này đợc gọi là giải trải phổ và là một hàm tới
hạn trong tất cả các hệ thống trải phổ. Thành phần tín hiệu của đầu ra bộ trộn
giải trải phổ là:
])(cos[)()(2
0
++
ddd
TttTtcTtcP

(1.18)
)](cos[2
00
ttp

+
Số liệu
nhị phân
)](cos[)(2
00
tttcp

+
tp
0
cos2

C(t)
Hình 1.10: Bộ phát trải phổ dãy trực tiếp BPSK
18
Điều
chế pha
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Với
T

là ớc lợng thời gian trễ truyền dẫn tốt nhất của bộ thu. Do c(t) =
1 nên tích c(t-
T

d
)xc (t-T
d
) sẽ bàng đơn vị nếu
T

d
= T
d
, nghĩa là khi mã trải
tại bộ thu đợc đồng bộ với mã trải tại bộ phát. Khi đồng bộ chính xác thì các
phần tử tín hiệu của đầu ra bộ trộn giải của bộ thu sẽ bằng S

d
(t) ngoại trừ một
pha ngẫu nhiên

và S
d
(t) có thể đợc giải điều chế nhờ sử dụng bộ giải.
])(cos[)(2
0
++
dd
TttTdtcP

+ Giao thoa
Số liệu nhị phân
Bộ trộn giải trải
C(t-T)
Hình 1.11: Bộ thu trải phổ dãy trực tiếp BPSK
Bộ điều chế số liệu ở trên không chỉ là BPSK, không hạn chế phải thực
hiện trong dạng của
d

(t). Tuy nhiên, thông thờng sử dụng cùng một loại điều
chế pha số đối với số liệu và mã trải. Khi BPSK đợc sử dụng cho cả hai bộ
điều chế thì có thể bỏ đi một bộ điều chế pha (bộ trộn). Quá trình điều chế 2
lần đợc thay thế bằng một lần điều chế đơn bởi việc cộng mudul-2 số liệu và
mã trải.
19
Bộ lọc
băng

Giải điều
chế pha
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Hình 1.12: Trải và giải trải dãy trực tiếp BPSK
Hình 1.12 minh hoạ hoạt động trải và giải trải dãy trực tiếp khi điều
chế số liệu và điều chế trải là BPSK. Trong trờng hợp này điều chế số liệu đặc
trng bởi bộ nhân sóng mang với d(t), trong đó d(t) lấy giá trị . Do đó:
ttdptS
d 0
cos)(2)(

=
(1.19)
ttctdptS
i 0
cos)()(2)(

=
(1.20)
Dạng sóng trải và số liệu miêu tả trên hình 1.12 a, b và S
d
(t), S
t
(t) miêu
tả trên hình 1.12 c,d. Hình 1.12e đặc trng cho đầu và sai pha so với bộ trộn
giải trải thu với giả sử là trể truyền dẫn bằng 0 và hình 1.12f là đầu vào của bộ
20
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
trộn này. Nhận thấy trên hình 1.12 f là không tơng đơng với S
d

(t) chứng tỏ bộ
thu phải đợc đồng bộ với bộ phát. Hình 1.12g là đầu ra bộ trộn giải trải khi mã
giải trải thùng pha. Trong trờng hợp này C(t). S
d
(t) = S
d
(t) và sóng mang số
liệu đã điều chế đợc khôi phục.
Hình 1.13 Mật độ phổ công suất của sóng mang đã điều chế số liệu
Mật độ phổ công suất cả hai bên của sóng mang BPSK đo bằng W/Hz
cho bởi [12-13]:
]})[(sin])[({sin
2
1
)(
0
2
0
2
TffcTffcPTfS
d
++=
(1.21)
Và đợc vẽ nh hình 1.13. Tín hiệu s
t
(t) trên hình 1.12d cũng là một sóng
mang BPSK và do đó có mật độ phổ công suất (psd) cho bởi (1.21) với T thay
bằng là chu kỳ của ký hiệu mã trải. Chu kỳ tín hiệu mã trải T
c
thờng đợc coi là

mã trải. Hình 1.14 là mật độ phổ công suất của S
t
(t) trong trờng hợp T = T/3.
ảnh hởng của điều chế mã trải làm trải băng thông của tín hiệu phát lên 3 lần
và hoạt động trải phổ này làm giảm mức của psd xuống 3 lần. Trong các hệ
thống thực tế thì hệ số trải này thờng lớn hơn 3 rất nhiều.
21
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Hình 1.14: Mật độ phổ công suất của số liệu và sóng mạng đã điều chế
và mã trải
Biểu thức (1.21) áp dụng chỉ khi cả điều chế số liệu và điều chế mã trải
đều là BPSK và khi điều chế số liệu và điều chế mã trải là đồng pha, trong tr-
ờng hợp này, do điều chế số liệu là hoàn toàn ngẫu nhiên nên tín hiệu S
t
(t) là
tín hiệu điều chế 2 pha một cách ngẫu nhiên và (1.21) đợc áp dụng.
Xét lại trờng hợp điều chế số liệu đặc trng bởi (1.16) và tín hiệu phát
đi đợc đặc trng bởi (1.17). Phổ công suất và hàm tự tơng quan của tín hiệu
là một cặp biến đổi Fourier [7, 17].
Sóng mang đã điều chế số liệu là một quá trình ngẫu nhiên ergodic, mã
trải phổ là tiền định cả tuần hoàn và tích S
t
(t) của chúng là một quá trình ngẫu
nhiên ergodic. Tín hiệu S
d
(t) độc lập với C(t) sao cho hàm tự tơng quan R
t
()
của C(t) S
d

(t) bằng tích của các hàm tự tơng quan, nghĩa là:
R
t
(

) = R
d
(

)R
e
(

) (1.22)
Sử dụng định lý chập tần số [17] của phép biến đổi Fourier thì mật độ
phổ công suất của S
t
(t) là biến đổi Fuorier của R
t
(T):



= ')'()'()( dfffSfSfS
cdt
(1.23)
22
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
Nh đã biết, một trong các u điểm của việc sử dụng trải phổ là máy thu
có thể loại bỏ các giao thoa và nhiễu cố ý (còn gọi là các nhiễu). Việc loại bỏ

giao thoa đợc thực hiện nhờ bộ trộn giải trải của bộ thu, bộ trộn này sẽ trải
phổ của giao thoa tại cùng một thời điểm mà tín hiệu mong muốn đợc giải
trải. Nếu năng lợng giao thoa đợc trải trên một băng thông lớn hơn rất nhiều
băng thông của số liệu thì đa số các năng lợng này sẽ bị loại bỏ bởi bộ lọc số
liệu.
Giả sử BPSK đợc sử dụng cho cả điều chế số liệu và điều chế trải phổ,
nhiễu là tín hiệu đơn tần có công suất là J gây các nhiễu một cách trực tiếp
vào băng thông truyền dẫn, nếu không sử dụng trải phổ thì tỷ số công suất
nhiễu trên công suất tín hiệu trong băng thông số liệu sẽ là J/P. Phổ công suất
tín hiệu thu đợc gần bằng:
[ ] [ ]
{ }
{ }
)()(
2
1
)(sin)(sin
2
1
)(
000
2
0
2
ffffJTffcTffcPTfS
cct
+++++

(1.24)
tín hiệu thu đợc là:

)cos(2)cos()()(2)(

+++= tJtTtcTtdtr
oodd
(1.25)
Giả sử mã giải trải của bộ thu là chính xác về pha sao cho đầu ra của bộ
trộn giải trải là:
)cos()(2)cos()(2)(
00

+++=
dd
TtcJtTtdpty
(1.26)
phổ công suất của y(t) là:
[ ] [ ]
{ }
[ ] [ ]
{ }
cccy
TffcTffcJTTffcTffcPTfS )(sin)(sin
2
1
)(sin)(sin
2
1
)(
0
2
0

2
0
2
0
2
+++++=
(1.24)
Nh vậy, tín hiệu số liệu đợc giải trải đổi thành băng thông số liệu trong
khi nguồn cán nhiễu đơn tần trải trên toàn bộ băng thông truyền dẫn của hệ
thống trải phổ.
Phổ công suất của tín hiệu ở trên đợc mô tả ở hình 1.15, phổ công suất
thu đợc trên hình 1.15a, phổ sau bộ trộn giải trải trên hình 1.15b.
Sau giải trải trong bộ thu trải phổ tín hiệu qua bộ lọc để giới hạn băng
thông ở đầu vào của bộ giải điều chế số liệu gần bằng với băng thông số liệu.
Hàm truyền đạt công suất của một bộ lọc lý tởng trên hình 1.15c và đầu ra của
bộ lọc này trên hình 1.15d. Bộ lọc lý tởng này biểu thị băng thông tạp âm tơng
đơng của một bộ lọc trung tâm (IF) thực tế, băng thông tạp âm của bộ lọc này
bằng tốc độ số liệu. Gần nh là tất cả các công suất tín hiệu đợc đi qua bộ lọc
23
Đồ án tốt nghiệp SVTH: Phạm Thanh Tùng
IF này. Nói cách khác thì phần lớn công suất nguồn cán nhiễu trải bị loại bỏ bởi
bộ lọc này. Lợng công suất nguồn cán nhiễu qua bộ lọc IF này là:

+

= dffHfSJ
j
2
0
)()(

(1.28)
Với S
j
(f) là phổ công suất nguồn cán nhiễu sau bộ trộn giải trải. Giả sử
với một bộ lọc băng thông IF lý tởng nh trên hình 1.14c thì:
[ ] [ ]

+

+

+

+

+++=
Tf
Tf
Tf
Tf
Tf
Tf
ccccj
Tf
Tf
j
dfTffcJTdfTffcJTdffSdffSJ
2/1
2/1
2/1

2/1
2/1
2/1
0
2
0
2
2/1
2/1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
)(sin
2
1
)(sin
2
1
)()(
(1.29)
24
§å ¸n tèt nghiÖp SVTH: Ph¹m Thanh Tïng
H×nh 1.15: MËt ®é phæ c«ng suÊt cña bé thu cã t¹p ©m
25