đề tài tìm hiểu Nguyên lý của CDMA

Nguyên lý của CDMA
1

Trang
Lời nói đầu……………………………………………………………………… 1
1.1 Giới thiệu CDMA…………………………………………………………… 3
1.2 Nguyên lý của kỹ thuật CDMA………………………………………… 8
1.3 Các thông số của CDMA ……………………………………………… 9
2.1 Kỹ thuật thông tin trải phổ………………….……………… ………………11
2.2 Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ……………………………….…15
2.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản…………………………………… ………16
2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp……………………17
2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số………………………19
2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian………………… 21
3. Máy thu Rake………………………………………….…………………….22
4.Điềukhiểncôngsuất……………………………………………… ……………23
4.1 Cở sở của điều khiển công suất…………………………………………… 23
4.2 Phân loại điều khiển công suất……………………………………………….26
5.Chuyển giao…………………………………………………………………….31
5.1 Mục đích của chuyển giao…………………………………………… ….31
5.1.2 Trình tự chuyển giao…………………………………………………….33
5.2 Chuyển giao mềm …………………………………………………………37
5.3 Chuyển giao cứng………………………………………………………….41
5.4 Tái phân bố……………………………………………………………… 43
5.5 Các chuyển giao liên hệ thống…………………………………………….47


Nguyên lý của CDMA
2

LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỷ XXI sẽ chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ thông tin vô tuyến. Các
công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thông thông tin vô tuyến.Cùng với
sự phát triển của khoa học kỹ thuật các hệ thống analog dần được thay thế bằng các
hệ thống số vì thế nó đã phục vụ tốt một phần cuộc sống hiện đại.
Trong cuộc sống hiện nay với sự phát triển cao của khoa học kỹ thuật cùng với sự
phát triển của kinh tế thì mạng hữu tuyến đang dần trở nên thiếu linh động và
không thể đáp ứng hết những nhu cầu cao của con người.Vì thế các nhà phát triển
công nghệ không dây đã cho ra đời hệ thống mới GSM.Tuy nhiên hệ thống này
vẫn còn nhiều han chế và không đáp ứng đủ nhu cầu của con người về :đa phương
tiện, xem video trực tiếp trên các thiết bị di động….Do đó cần một mạng mới ra
đời có đủ khả năng đáp ứng nhu cầu mà GSM chưa mang lại được .Hệ thống
CDMA xuất hiện cũng là điều tất yếu .
Công nghệ đa truy nhập CDMA được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ. Kỹ
thuậttrải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong quân sự từ những năm 1930,
tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này mới được nghiên cứu và áp dụng thành công
trong các hệ thống tin vô tuyến tổ ong.
Các phần tử cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên. Có
thể coi rằng SolGolomb là người đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề
này trong các công trình của ôngvào những năm 1950. Ý niệm đầu tiên về đa truy
nhập trải phổ phân chia theo mã (SSCDMA:Spread Spectrum Code Division
Multiple Access) đã được R.Price và P.E.Green trình bầy trongbài báo của mình
năm 1958. Vào đầu những năm 1970 rất nhiều bài báo đã chỉ ra rằng các hệ thống
thông tin CDMA có thể đạt được dung lượng cao hơn các hệ thống thông tin đa
truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access).Các
hệ thống trải phổ chuỗitrực tiếp đã được xây dựng vào những năm 1950. Thí dụ về
các hệ thống đầu tiên là: ARC-50 củaMagnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến
vệ tinh OM-55, USC-28. Trong các bài báo củamình (năm 1966) các tác giả
J.W.Schwartz, W.J.M.Aein và J. Kaiser là những người đầu tiên sosánh các kỹ
thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA. Các thí dụ khác về các hệ thống

quânsự sử dụng công nghệ CDMA là vệ tinh thông tin chiến thuật TATS và hệ
thống định vị toàn cầu GPS. Ở Mỹ các vấn đề về cạn kiệt dung lượng thông tin di
động đã nẩy sinh từ những năm 1980.Tình trạng này đã tạo cơ hội cho các nhà

Nguyên lý của CDMA
3

nghiên cứu ở Mỹ tìm ra một phương án thông tin di độngsố mớí. Để tìm kiếm hệ
thống thống tin di động số mới người ta nghiên cứu công nghệ đa thâmnhập phân
chia theo mã trên cơ sở trải phổ (CDMA). Được thành lập vào năm 1985,
Qualcom,sau đó được gọi là "Thông tin Qualcom" (Qualcom Communications) đã
phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng
phát minh trong lĩnh vực này. Lúc đầucông nghệ này được đón nhận một cách dè
dặt do quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗicuộc thọai đòi hỏi một kênh vô
tuyến riêng. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thốngtrị ở Bắc Mỹ và
nền tảng của thông tin di động thế hệ ba. Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMAđầu
tiên được gọi là IS-95A. Hiện nay phiên bản mới IS-2000 và W-CDMA đã được
đưa ra chohệ thống thông tin di động thứ 3.
Trong lĩnh vực thông tin di động vệ tinh càng ngày càng nhiều hệ thống tiếp
nhận sử dụng công nghệ CDMA.Các thí dụ cho việc sử dụng công nghệ này là: Hệ
thống thông tin quỹ đạo thấp (LEO:Low Earth Orbit) Loral Qualcom Global Star
sử dụng 48 vệ tinh.Hệ thống thông tin vệ tinh trung bình MEO (medium earth
orbit) TRW sử dụng 12 vệ tinh.
Một trong các hạn chế chính của công nghệ CDMA hiện nay là hiệu năng của
chúng phụ thuộc vào nhiễu của người sử dụng cùng tần số,MUI(multi user
interference).Đây là lý do dẫn tới giảm dung lượng và đòi hỏi phải điều khiển công
suất nhanh.Các máy thu đa người sử dụng MUI (Multi User Derector) sẽ cho phép
hệ thống CDMA mới dần khắc phục được vấn đề này và tỏ rõ ưu điểm vượt trội
của nó.
Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp em xin trình bày “các nguyên lý của công

nghệ CDMA ”.
Tuy nhiên do thời gian va kiến thức còn hạn chế vì thế không tránh khỏi những
sai sót, em rất mong được sự góp ý của thầy cô để rút ra kinh nghiệm và hoàn thiện
mình hơn .
Em xin chân thành cảm ơn.


Nguyên lý của CDMA
4

KỸ THUẬT CDMA

1.1 Giới thiệu
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 người có thể sử
dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Kỹ
thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật
CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông
tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với
các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Vì thế, trong luận án này sẽ giới thiệu về
nguyên lý CDMA. Trong thực tế, nhiều hệ thống sử dụng đồng thời một số kỹ
thuật truy nhập Phần này giới thiệu bốn kỹ thuật như thế:
• Đa truy nhập phân chia tần số FDMA (Frequency-division multiple
access);
• Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time-division multiple
access);
• Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code-division multiple access);
• Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space-division multiple
access)
Hệ thống FDMA chia phổ tần khả dụng thành một số kênh tần số (Hình 1.1).

Mỗi người sử dụng (khi tham gia một kết nối nào đó) được phân bổ hai kênh, một
cho đường lên và một cho đường xuống. Phân bổ này là dành riêng, không có
người sử dụng nào khác được phân bổ đến các kênh tần số này tại cùng thời điểm.
Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ FDMA là:
-Kỹ thuật AMPS với băng thông 30KHz
-Kỹ thuật TACS với băng thông 25 KHz
-Kỹ thuật NAMPS với băng thông 10KHz

Nguyên lý của CDMA
5


Hình 1.1: Đa truy nhập phân chia tần số FDMA

Trong một hệ thống TDMA (Hình 1.2), toàn bộ băng thông cung cấp được
sử dụng bởi một người sử dụng, nhưng chỉ trong các khoảng thời gian ngắn tại một
thời điểm. Kênh tần số được chia thành các khe thời gian, và chúng được định kỳ
phân bổ cho người dùng để sao cho các người dùng khác nhau có thể sử dụng các
khe thời gian khác nhau (trên cùng kênh tần số) một cách định kỳ. Đường lên và
đường xuống cần được phân bổ các khe thời gian riêng biệt.
GSM dựa trên công nghệ TDMA. Trong GSM, mỗi kênh tần số được chia
thành nhiều khe thời gian (tám khe mỗi khung radio), và mỗi người dùng được
phân bổ một (hoặc nhiều) khe (slot). Trong hệ thống TDMA, băng thông sử dụng
của hệ thống thường được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn. Vì vậy, theo ý nghĩa
đó, GSM thực ra là một hệ thống lai ghép FDMA/TDMA (như thể hiện trong Hình
1.3), cũng như hầu hết mạng 2G khác


Nguyên lý của CDMA
6

Hình 1.2: Đa truy nhập phân chia thời gian TDMA


Hình 1.3: Kết hợp FDMA/ TDMA


Nguyên lý của CDMA
7

Trong hệ thống CDMA tất cả người dùng cùng lúc chiếm cùng tần số, không
có sắp xếp thời gian được áp dụng, và tín hiệu của họ được phân biệt bằng các mã
đặc biệt (Hình 1.4).
Mỗi người dùng được gán một mã, mà nó được áp dụng như là một điều chế
thứ cấp, được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu của người dùng thành một dạng
luồng dữ liệu được trải phổ bằng mã. Bên thu sau đó sử dụng chính mã trải phổ đó
để chuyển đổi tín hiệu đã trải phổ trở lại thành dòng dữ liệu của người sử dụng ban
đầu.


Hình 1.4: Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Các mã được lựa chọn sao cho chúng có mức độ tương quan chéo thấp với
các mã khác. Điều này có nghĩa rằng, tương ứng với tín hiệu đã được trải phổ bằng
mã đã được gán thì sẽ chỉ được giải trải bằng chính mã đó. Tất cả các tín hiệu khác
vẫn bị trải rộng trên toàn bộ băng thông lớn. Đó là vì, chỉ người nhận có mã trải
đúng mới có thể giải trải tín hiệu ban đầu từ tín hiệu trải phổ nhận được.
Ngoài ra, cũng giống như trong các hệ thống TDMA, băng thông tổng được
phân bổ có thể được chia thành một số kênh tần số nhỏ hơn. Nguyên lý trải phổ

Nguyên lý của CDMA
8

CDMA này được vận dụng trong mỗi kênh tần số đó. Lược đồ này được sử dụng
trong Mạng truy nhập vô tuyến lục địa UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access
Network) chế độ song công phân chia theo tần số (FDD - frequency-division
duplex). Chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD - time-division duplex)
sử dụng kết hợp các phương pháp CDMA, FDMA, TDMA, bởi vì mỗi khung vô
tuyến còn được chia nhỏ hơn thành 15 khe thời gian.
Có một số phương pháp được sử dụng để điều chế các tín hiệu CDMA. Ví
dụ trong Hình 1.4 mô tả điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS direct-sequence
spread spectrum). Với phương pháp này, tín hiệu được điều chế chiếm toàn bộ
băng thông sóng mang trong toàn bộ thời gian. Các đề xuất điều chế khác bao gồm
trải phổ nhảy tần số (FH-SS frequency-hopping spread spectrum), trải phổ nhảy
thời gian (TH-SS time-hopping spread spectrum), và các kết hợp khác nhau của
chúng. Tất cả những phương pháp này có các thuộc tính lợi thế của riêng mình. Hệ
thống UTRAN 3GPP sử dụng điều chế DS-SS.
Một hệ thống SDMA tái sử dụng tần số truyền trên các khoảng phù hợp về
khoảng cách. Nếu khoảng cách giữa hai trạm gốc sử dụng cùng một tần số là đủ
lớn, thì nhiễu mà chúng gây ra cho nhau là có thể chấp nhận được. Khoảng cách
này càng nhỏ, dung lượng hệ thống càng lớn hơn. Do đó, các kỹ thuật khác nhau đã
được phát triển để tận dụng lợi thế của hiện tượng này. Phân chia sector
(Sectorization) chia một ô thành "các ô nhánh - subcells" nhỏ hơn, và một số trong
đó có thể tái sử dụng cùng tần số.
Mỗi sector cung cấp vùng phủ sóng cố định. Ăng-ten thông minh có thể tạo
nên các chùm điểm hẹp theo hướng mong muốn, điều đó làm tăng dung lượng của
hệ thống hơn nữa. Hầu hết các hệ thống 2G kỹ thuật số sử dụng một số hình thức
SDMA bên cạnh các kỹ thuật đã đề cập trên để nâng cao năng lực của hệ thống.

Nguyên lý của CDMA
9

1.2 Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán cho một chuỗi mã xác
định, và tất cả các người dùng có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng
một khoảng thời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm
phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức.


Hình 1.5: Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA
Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín
hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu
đó (Hình 1.5). Ta có được kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo
của các chuỗi mã trải phổ.
Trong Hình 1.5, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ người dùng
A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận
được từ các người dùng không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu

Nguyên lý của CDMA
10

từ A (do tính tương quan chéo thấp), và từ đó ta có thể thu được tín hiệu từ A một
cách dễ dàng.
Trong Hình 1.5, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ người dùng
A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận

được từ các người dùng không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu
từ A (do tính tương quan chéo thấp), và từ đó ta có thể thu được tín hiệu từ A một
cách dễ dàng.
1.3 Các Thông Số Của Công Nghệ CDMA
- Dung lượng và các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng
Trong CDMA 1 cell có m kênh thoại trong đó có 1 kênh là cuộc gọi đang xét, (m-
1) kênh còn lại đóng vai trò là can nhiễu cho cuộc gọi đang xét trên.
Trong CDMA, quan trọng là tỷ số năng lượng (bit)trên công suất (hz):

/

.Tỷ số
này quan hệ với tốc độ lỗi BER mà BER lại biểu thị chất lượng thoại.
Phương trình cơ bản :


=









Trong đó :
B: là băng thông của kênh vô tuyến CDMA.



: là tốc độ bit/s.
B/

: là độ lợi xử lý của hệ thống.


/

: là mật độ phổ năng lượng trên mỗi bit hay tỷ lệ của phổ công suất nhiễu
phụ thuộc vào phương pháp điều chế và mã hóa sử dụng.
C: là công suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 1 máy di động.
I: là công suất nhiễu.

Nguyên lý của CDMA
11

Nếu gọi 

là số thuê bao của dải thông B thì công suất nhiễu I=C(

-1)
trong trường hợp mức năng lượng của các tín hiệu phát đi được điều khiển để thu
cùng mức công suất (C) tại trạm gốc.
Khi đó dung lượng của hệ thống CDMA được tính bằng công thức sau:


=





=













M=

=







Suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách từ MS(thuê bao) đến
BS(trạm gốc), nên để thu được công suất bằng nhau tai BS phải điều khiển công
suất. Phương pháp điều khiển công suất không loại bỏ được ảnh hưởng pha đinh
cho những biến thiên cực nhanh ngắn hơn 1ms.
-Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng CDMA

Giá trị E/R thấp và bảo vệ lỗi :do CDMA sử dụng băng rộng nên giá tri E/R thấp
vẫn đảm bảo được chất lượng cao.
Phân tập và đạt được đa đường dẫn với giá trị E/R thấp:CDMA có khả năng giải
quyết được hiện tượng pha đinh bằng cách nhận biết các tín hiệu đa đường rồi tổng
hợp chúng lại.
Dò tìm tín hiệu:chu kỳ thường trực của tín hiệu phát là 35% trong trao đổi thông
tin 2 chiều, máy thu thực hiện dò tìm nên dung lượng tăng.
M=







d: là chu kỳ thoại
Sử dụng lại tần số:Trong hệ thống CDMA có các loại nhiễu giữa MS với MS
trong 1 cell va giữa các BS với nhau.
Sử dụng angten hình quạt:dung ăng ten trạm gốc định hướng mỗi angten chỉ
giám sát 1/3 MS trong 1 cell vì thế giảm nhiễu xuống 1/3,dung lượng tăng lên gấp

Nguyên lý của CDMA
12

3 lần.Trong thực tế độ lợi dải quạt là G thì dung lượng tăng lên G lần ( thông
thường G=2,25).
Phân bố dung lượng giữa các trạm gốc không đồng đều: đây là phương pháp
thay đổi dung lượng mềm dẻo.Khi cell lân cận có ýt cuộc gọi thì có thể phân bố
cho cell khác có lưu thông cao hơn.Từ đó làm tăng dung lượng của hệ thống.
2.1 Kỹ thuật trải phổ

Truyền trải phổ là một kỹ thuật mà trong đó tín hiệu ban đầu của người dùng
được chuyển đổi thành một dạng khác, chiếm băng thông lớn hơn so với băng
thông mà tín hiệu ban đầu thường cần đến. Chuyển đổi này được biết đến với tên
gọi trải phổ.
Chuỗi dữ liệu ban đầu được nhân nhị phân với mã trải, mà mã này thường có
băng thông lớn hơn nhiều so với tín hiệu gốc.
Thủ tục này được mô tả trong Hình 1.6 Các bit trong mã trải phổ được gọi là
các chip để phân biệt với các bit trong chuỗi dữ liệu, mà chúng được gọi là các
symbol. Thuật ngữ "chip" mô tả cách thức hoạt động trải phổ băm nhỏ dòng dữ
liệu gốc thành các phần nhỏ hơn, mà chúng được gọi là các chip.


Hình 1.6: Nguyên lý trải phổ


Nguyên lý của CDMA
13


Hinh1.7 : Nguyên lý giải trải phổ
Mỗi người dùng có mã trải phổ riêng của mình. Một mã giống hệt nhau được
sử dụng trong cả hai biến đổi trên mỗi đầu của kênh vô tuyến, tại nơi đã trải tín
hiệu ban đầu để tạo ra tín hiệu băng rộng, và tại nơi giải trải tín hiệu băng rộng để
tái tạo tín hiệu băng hẹp ban đầu (xem Hình 1.7).
Tỷ lệ giữa băng thông truyền tải và phổ tín hiệu ban đầu được gọi là độ lợi
xử lý (còn gọi là hệ số trải phổ SF - Spreading factor). Lưu ý rằng tỷ lệ này chỉ đơn
giản có nghĩa là bao nhiêu chip được sử dụng để trải một Symbol dữ liệu. Trong
UTRAN, các giá trị của hệ số trải phổ có thể trong khoảng giữa 4 và 512 (tuy
nhiên, ở chế độ TDD SF = 1 cũng được cho phép). Hệ số trải phổ càng thấp thì tải

dữ liệu của tín hiệu có thể được truyền trên giao diện vô tuyến càng lớn.
Các mã trải phổ là duy nhất, ít nhất là ở cấp độ tế bào. Điều này có nghĩa
rằng một khi máy thu dùng một mã giải trải tín hiệu băng rộng nhận được, thành
phần được giải trải chỉ là thành phần đã được trải bằng chính mã đó tại máy phát.
Hai loại mã trải phổ được sử dụng trong UTRAN, đó là: các mã trực giao và các
mã giả tạp âm.
Các mã trải phổ có tương quan chéo thấp với các mã trải phổ khác. Trong
trường hợp các mã trực giao đồng bộ hoàn toàn, các tương quan chéo thực sự bằng
không. Điều này có nghĩa là một loạt các tín hiệu băng rộng có thể cùng tồn tại trên
cùng một tần số mà không gây nhiễu đáng kể lẫn nhau. Năng lượng của tín hiệu
băng rộng được trải rộng trên một băng thông rất lớn, mà nó giống như tạp âm nền
so với tín hiệu ban đầu, đó là do mật độ phổ công suất của nó là khá nhỏ.

Nguyên lý của CDMA
14

Khi tín hiệu băng rộng tổng hợp tương tác với mã trải phổ cụ thể, thì chỉ có
tín hiệu gốc đã được trải bằng mã trải phổ tương ứng là được giải trải, trong khi tất
cả các thành phần tín hiệu gốc khác vẫn bị trải (xem Hình 1.8).

Hình 1.8: Khôi phục tín hiệu giải trải

Do đó, tín hiệu ban đầu có thể được phục hồi tại máy thu miễn là công suất
của tín hiệu được giải trải cao hơn một vài decibel so với công suất tạp âm gây
nhiễu, đó là tỷ lệ sóng mang tới nhiễu (C/I) phải đủ lớn. Lưu ý rằng mật độ công
suất của tín hiệu được trải có thể thấp hơn nhiều so với mật độ công suất của tín
hiệu băng rộng tổng hợp, và sự khôi phục của tín hiệu gốc vẫn có thể nếu hệ số trải
phổ là đủ cao, nhưng nếu có quá nhiều người sử dụng trong tế bào đó tạo ra quá
nhiều nhiễu thì tín hiệu có thể bị chặn và truyền thông trở nên không thể, như mô tả
trong (Hình 1.9).

Nguyên lý của CDMA
15


Hình 1.9: Không thể khôi phục tín hiệu giải trải

Lưu ý rằng một sóng mang băng rộng không làm tăng dung lượng băng
thông được phân bổ đến vậy. Về nguyên tắc, một tập hợp các sóng mang băng hẹp
chiếm cùng một băng thông sẽ có thể truyền tải dữ liệu nhiều như tín hiệu băng
rộng. Tuy nhiên, trong một hệ thống băng rộng các tín hiệu có khả năng chống
nhiễu liên tế bào cao hơn, và do đó nó có thể tái sử dụng cùng một tần số trong các
tế bào lân cận. Điều này có nghĩa rằng hệ số tái sử dụng tần số là một, trong khi,
trong hệ thống GSM, giá trị này thường ít nhất là bốn, đó là cùng một tần số chỉ có
thể được tái sử dụng tại tối đa mỗi tế bào thứ tư (1/4). Chỉ riêng điều này cung cấp
một tăng dung lượng đáng kể so với các hệ thống băng hẹp, mặc dù gia tăng dung
lượng là không chỉ đơn giản là tỷ lệ thuận với hệ số tái sử dụng.
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.

Nguyên lý của CDMA
16

2.2 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. Tuy nhiên, việc
tăng số lượng người sử dụng trong tế bào làm tăng tạp âm nền gây nhiễu. Nếu
nhiễu này trở nên quá lớn, sự phục hồi tín hiệu tại máy thu sẽ không còn được
thành công.

+ 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
trênkênh 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.
+Sức đề kháng phá sóng tốt.

Vì mật độ phổ công suất của tín hiệu là quá thấp và giống như tạp âm nền, rất
khó để phát hiện và phá sóng. Do đó, các hệ thống truyền thông CDMA được phổ
biến dành cho quân đội.

Nguyên lý của CDMA
17


+Chống nhiễu

Một tín hiệu băng rộng có thể chống lại nhiễu băng hẹp đặc biệt tốt. Trong
khi trong quá trình giải điều chế tín hiệu ban đầu sẽ được giải trải, thì đồng thời nó
cũng sẽ làm cho tín hiệu nhiễu bị trải ra (xem Hình 1.10). Do đó, nhiễu bị trải rộng
trên một phổ rộng. Giải điều chế sẽ thành công nếu nhiễu bị trải là đủ yếu trong
băng thông hẹp của tín hiệu được giải trải.


Hình 1.10: Chống nhiễu băng hẹp
2.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản

Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS/SS).
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH/SS).
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian(TH/SS).
2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp
(DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)
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.

Nguyên lý của CDMA
18



Nguyên lý cơ bản

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 c(t) có tốc độ bit f
c
với f
c
>> f
b
. Như vậy:

d(t).c(t) = (2.2)

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).c(t) được điều chế BPSK
c(t) , d(t) = +1
– c(t) , d(t) = –1
Bộ điều chế
băng rộng
d(t)
Bộ tạo mã PN
c(t)

Bộ tạo sóng
mang
Máy phát
Bộ giải điều
chế dữ liệu
Bộ tạo sóng
mang
Bộ tạo mã PN
c
r
(t)
d
r
(t)
Máy thu
Hình 1.11: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

Nguyên lý của CDMA
19

hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu
thức[1][2]:

tcosw).().(2)(
0
tctdPtV
SSSDS


(2.3)

Trong đó: P
S
là công suất phát [W]
w
o
là tần số sóng mang [rad/s]
Nếu so sánh (2.3) với biểu thức của BPSK:

tcosw).(2)(
0
tdPtV
SBPSK

(2.4)

Hình 1.12: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ
Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát P
S
, chuỗi số d(t).c(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.

Nguyên lý của CDMA
20

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

Hình 1.13: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ
2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số
(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Hình 1.14: Phổ của tín hiệu FH – SS
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

Nguyên lý của CDMA
21

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 1.14










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 1.15: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS
Trộn, biến
đổi tần lên
d(t)
Bộ tạo mã PN
c(t)
Tổng hợp
tần số
Máy phát
Điều chế
băng gốc

Trộn, biến đổi
tần xuống
Tổng
hợp
tần số
Bộ tạo mã PN
c
r
(t)
d
r
(t)
Máy thu
Đồng
bộ
Giải điều
chế dữ liệu

Nguyên lý của CDMA
22

2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian
(TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum )

Hình 1.15: Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian
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 tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần
thiết để truyền tăng gấp k lần.

Hình 1.16: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS
Bộ điều chế
dữ liệu
d(t)
Bộ tạo mã PN
c(t)
Bộ tạo sóng
mang
Máy phát
slow in

Buffer
Bộ giải điều
chế dữ liệu
Bộ tạo sóng
mang
Bộ tạo mã PN
c
r
(t)
d
r
(t
)

Máy thu
fast in

Buffer

Nguyên lý của CDMA
23

3. MÁY THU RAKE (RAKE Receiver):
Trong một kênh đa đường, tín hiệu ban đầu được phát đi bị phản xạ bởi các
chướng ngại vật trong hành trình của nó đến máy thu, và máy thu nhận được nhiều
bản sao của tín hiệu gốc với độ trễ khác nhau. Những tín hiệu đa đường có thể
được thu và được kết hợp lại bằng cách sử dụng một máy thu RAKE. Một máy thu
RAKE được tạo nên từ các bộ tương quan (correlators), còn được biết đến như các
ngón của RAKE, mỗi ngón thu một tín hiệu đa đường. Sau khi giải trải bởi các bộ
tương quan bằng việc sao chép nội tại phiên bản mã trải của máy phát đã trễ thích
hợp, các tín hiệu này được kết hợp lại. Do các tín hiệu đa đường thu được là fading
độc lập, phương pháp này cải thiện tổng thể chất lượng và đặc tính của tín hiệu
được tổng hợp lại.
Nó được gọi là máy thu RAKE vì hai lý do. Một là hầu hết các sơ đồ khối
của thiết bị trông giống như một cái cào vườn, mỗi răng của chiếc cào là một trong
những ngón. Một lý do khác là cái cào vườn thông thường có thể minh họa cho
hoạt động của máy thu RAKE. Cách thức mà một cào vườn cuối cùng chọn lên các
mảnh vụn ra khỏi một thảm cỏ tương tự như cách các ngón của RAKE phối hợp
với nhau để phục hồi nhiều phiên bản của tín hiệu đến từ máy phát (Hình 1.17).

Hình 1.17: Nguyên lý máy thu RAKE

Một tín hiệu riêng thu được bởi một ngón RAKE có thể là quá yếu để tạo ra
một kết quả chính xác. Tuy nhiên, kết hợp một số tín hiệu hỗn hợp trong máy thu

RAKE làm tăng khả năng tái tạo đúng tín hiệu gốc. Nguyên lý thu RAKE được cấp

Nguyên lý của CDMA
24

bằng sáng chế vào năm 1956, do đó, bằng sáng chế này đã hết hạn một thời gian
dài trước đây.
4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT (Power Control):
4.1 Cở sở của điều khiển công suất

Ở các hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát chung
một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh đối với nhau. Chất
lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi
trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỉ số E
b
/N’
0
, trong đó E
b
là năng lượng bit
còn N
0
là mật độ tạp âm trắng Gausơ cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ
máy phát của các người sử dụng khác. Để đảm bảo tỷ số E
b
/N’
0
không đổi và lớn
hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất của các máy phát của các người sử
dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc. Nếu như ở các hệ thống FDMA và

TDMA việc điều chỉnh công suất này không bắt buộc thì ở hệ thống CDMA điều
chỉnh công suất là bắt buộc và điều chỉnh này phải nhanh nếu không dung lượng
của hệ thống sẽ giảm. Chẳng hạn nếu công suất thu được của một người sử dụng
nào đó ở trạm gốc lớn hơn mười lần công suất phát của các người sử dụng khác, thì
nhiễu giao thoa đồng kênh do người sử dụng này gây ra cũng lớn gấp mười lần
nhiễu của các người sử dụng khác. Như vậy dung lượng của hệ thống sẽ giảm đi
một lượng bằng chín. Công suất thu được ở trạm gốc phụ thuộc vào khoảng cách
của các máy di động so với trạm gốc và có thể thay đổi đến 80 dB. Hiện tượng
công suất thu thay đổi theo khoảng cách giữa MS và BS được gọi là hiện tượng
gần- xa hiện tượng này ảnh hưởng lớn tới hệ thống, có thể được minh họa như sau:

Nguyên lý của CDMA
25


Hình 1.18 Hiệu ứng gần xa


Giả sử có hai trạm di động MS
1
và MS
2
cách đều trạm gốc BS một khoảng
là d và phát đi cùng một công suất là Pt
1
= Pt
2
phát cùng thời gian và tần số nên
MS
1

và MS
2
sẽ gây nhiễu lẫn nhau. Do cả hai trạm di động có cùng công suất phát
và cách đều trạm gốc nên tỉ số tín hiệu trên can nhiễu sẽ bằng 1:
C/I=Pr
1
/Pr
2
= 1
Trong đó: Pr
1
, Pr
2
là các tín hiệu mà BS thu được từ MS
1
và MS
2
. Bây giờ
nếu MS
1
đứng yên còn MS
2
tiến gần lại trạm gốc sao cho khoảng cách từ MS
2
tới
trạm gốc là d/2. Giả sử suy hao đường truyền tỷ lệ với mũ 4 khoảng cách thì công
suất thu ở trạm gốc đối với MS
1
sẽ suy hao với tỉ lệ d
4

còn đối với MS
2
sẽ suy hao
theo tỉ lệ (d/2)
4
= d
4
*1/16. Do đó công suất thu được ở trạm gốc của MS
2
sẽ lớn hơn
công suất thu được của MS
1
là 16 lần và tỉ số tín hiệu trên can nhiễu trong trường
hợp này sẽ là:
C/I=Pr
1
/Pr
2
= 1/16