Hệ thống multicode multicarrier CDMA

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ
luật.
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2013
Người thực hiện

Trang 1


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................1
MỤC LỤC................................................................................................................ 2
CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................7
CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 9
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG...............................................................9
THÔNG TIN DI ĐỘNG..........................................................................................9
1.1 Giới thiệu chương...................................................................................................9
1.2 Khái quát về hệ thống di động tế bào.....................................................................9
Hình 1.1 Cơ bản về hệ thống thông tin di động.........................................................10
1.3 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động.......................................................10
1.3.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)...........................................................10
1.3.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G).............................................................11
1.3.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)..............................................................11
1.3.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)...............................................................11

1.4 Kênh truyền vô tuyến...........................................................................................12
1.4.1 Hiệu ứng đa đường.........................................................................................................12

Hình 1.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường..............................................................13
1.4.2 Suy hao đường truyền....................................................................................................13
1.4.3 Hiệu ứng Doppler...........................................................................................................13

Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh............................................................................14
1.4.4 Hiệu ứng bóng râm.........................................................................................................14

1.5 Hiện tượng Fading................................................................................................14
Hình 1.5 Hiện tượng Fading.......................................................................................14
Hình 1.6 Kênh truyền phẳng (f0 > W).......................................................................15
1.5.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading).......................................................15

Hình 1.7 Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W).........................................................15
1.6 Các kỹ thuật đa truy cập (multiple access techniques)........................................15

Trang 2


Mục lục

1.6.1 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)......................................................15
Hình 1.8 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian.............................................17
1.6.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).................................................................17
1.6.3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)..........................................................................18

Hình 1.10 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã.....................................................19
1.7 Kết luận chương....................................................................................................19

CHƯƠNG 2............................................................................................................21
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CDMA VÀ OFDM...........................................21
2.1 Giới thiệu chương.................................................................................................21
2.2 Công nghệ CDMA................................................................................................21
2.2.1 Tổng quan về CDMA........................................................................................................21
2.2.2 Kỹ thuật trải phổ trong CDMA.........................................................................................22

Hình 2.1 Hệ thống thông tin trải phô.........................................................................23
Hình 2.2 Mạch thanh ghi dịch cơ số hai....................................................................26
Hình 2.3 Đặt tính tự tương quan của chuỗi 1 + x2 + x5 có chiều dài 124................27
2.4 Công nghệ OFDM................................................................................................29
2.4.1 Sơ lược về OFDM............................................................................................................29

Hình 2.4 So sánh kỹ thuật sóng mang không trực giao (a) và...................................29
2.4.2 Sơ đồ khối.......................................................................................................................30

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống OFDM................................................................................30
Hình 2.6 Chuỗi dữ liệu nối tiếp sang song song........................................................31
2.4.4 Nguyên lý điều chế của hệ thống OFDM.........................................................................31

Hình 2.8 Chiều dài một ký hiệu OFDM.....................................................................35
Hình 2.10 Khi không có chuỗi bảo vệ (tồn tại ISI)....................................................35
2.5 Kết luận chương....................................................................................................38
CHƯƠNG 3............................................................................................................38
MULTICARRIER CDMA, MULTICODE CDMA VÀ MULTICODE
MULTICARRIER CDMA....................................................................................38
3.1 Giới thiệu chương.................................................................................................38
3.2 Hệ thống MC-CDMA...........................................................................................38

Trang 3

Mục lục

3.2.1 Khái niệm về MC-CDMA (multicarrier CDMA).................................................................38
3.2.2 Cấu trúc của hệ thống MC-CDMA...................................................................................39

Hình 3.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC-CDMA.................................................39
Hình 3.2 Máy phát MC–CDMA................................................................................40
3.2.3 Kênh truyền....................................................................................................................42

Hình 3.4 Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng
tần hẹp.........................................................................................................................43
Như ta được biết tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển động nhiệt của các điện tử
ở trong hệ thống máy thu và phát. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của
vô hạn các phần tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn
trung tâm. Hàm mật độ xác suất của một quá trình ngẫu nhiên Gauss n(t)
được biểu diễn như sau [2]:...................................................................................43
(3.5)........................................................................................................................ 44
Một đặc tính quan trọng của tạp âm Gauss có giá trị trung bình bằng 0 là
phương sai bằng trung bình bình phương của n tức là σ2=E{n2(t)}. Một đặc
tính quan trọng nữa của tạp âm nhiệt là mật độ phổ tần số của nó như nhau tại
mọi tần số. Tức là nó là nguồn tạp âm phát ra một lượng công suất như nhau
trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng [2]:......................................44
(3.6)........................................................................................................................ 44
Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của mật
độ phổ công suất tạp âm cho bởi [2]:...................................................................44
(3.7)......................................................................................................................... 44
Do tạp âm được cộng với tín hiệu nên được gọi là tạp âm cộng. Hình 3.5 biểu
diễn độ lợi của một kênh truyền fading Rayleigh. Một số tham số liên quan đến

trễ trong nhiễu đa đường được trình bày trong[4]. Trong số đó ta chọn ra 6ray điển hình. Bảng 3.1 cho ta thấy trễ công suất trong hai mô hình đô thị phổ
biến......................................................................................................................... 44
................................................................................................................................. 45
Hình 3.5 Độ lợi trong kênh truyền fading Rayleigh..................................................45

Trang 4


Mục lục

Bảng 3.1 Phân bố trễ công suất trong hai kiểu đô thị.........................................45
3.2.4 Nhiễu MAI và nhiễu ICI...................................................................................................45
3.2.5 Vấn đề dịch tần số sóng mang........................................................................................46
3.2.6 Ưu và nhược điểm của hệ thống MC-CDMA...................................................................47

3.3 Hệ thống multicode CDMA (MTC-CDMA).......................................................47
.....................................................................................................................................49
3.4 Hệ thống Multicode-multicarrier CDMA............................................................49
Hình 3.8 Sơ đồ khối máy thu Multi-code MC-CDMA..............................................53
3.5 Kết luận chương....................................................................................................53
CHƯƠNG 4............................................................................................................54
MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................................54
4.1 Giới thiệu chương.................................................................................................54
4.2 Mô phỏng..............................................................................................................54
4.2.1 Hệ thống MC-CDMA.......................................................................................................54
4.2.2 Hệ thống Multicode-CDMA.............................................................................................56
4.2.4 So sánh hệ thống Multicode CDMA và Multicode multicarrier CDMA............................61
4.2.5 So sánh hệ thống Multicarrier CDMA và Multicode multicarrier CDMA.........................62

4.3 Kết luận chương....................................................................................................63

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI..............................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................65
PHỤ LỤC...............................................................................................................66

Trang 5


Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Ratio

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDMA

Code Division MultipleAccess

CP

Cycle Prefix

DS-CDMA

Direct Sequences CDMA

DS/SS

Direct Sequence Spread Spectrum

DFT

Discrete Fourier Transform

FDM

Frequency Division Multiplexing

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FFT

Fast Fourier Transform

FH-CDMA

Frequency Hopping CDMA

GSM

Global System for Mobile Communication

GI

Guard Interval

GP

Guard Period

ICI

Inter-Channel Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

ISI

Inter-Symbol Interference

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

MAI

Multiple Access Interference

MC-CDMA

Multicarrier CDMA

MTC-CDMA

Multicode CDMA

MTC- MC CDMA Multi Code Multicarrier CDMA
MC-DS-CDMA

Multicarrier Direct Squence CDMA

ME

Mobile Equipment

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PN

Pseudo Noise
Trang 5

Các từ viết tắt

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

P/S

Parrallel to Serial

PSTN

Public Switched Telephone Network

S/P

Serial to Parallel

SMS

Short message services

SIM

Subscriber Identity Module

SNR

Signal to Noise Ratio

TDMA

Time Division Multiple Access

W-CDMA
WH

Wideband CDMA
Wash-Hadamard

Trang 6


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước
tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu
trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền
thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển.
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các dịch vụ thông tin di động, đã có
nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm tác động của các ảnh hưởng kênh truyền,
tăng tốc độ truyền dữ liệu….Một trong những phương pháp đó là việc kết hợp
OFDM và CDMA tạo nên hệ thống MC-CDMA. Tuy nhiên MC-CDMA vẫn chưa
thõa mãn được nhu cầu về tốc độ cao. Do đó, người ta đã nghiên cứu đưa ra một
phương pháp mới bằng việc kết hợp giữa MC-CDMA và Multicode CDMA để tạo
nên hệ thống MTC-MC-CDMA vừa có dung lượng lớn, tốc độ cao và hoạt động tốt
trong nhiễu đa đường. Hệ thống MTC-MC-CDMA được đề xuất để có thể hỗ trợ
những tốc độ dữ liệu khác nhau, theo yêu cầu của những chuẩn thế hệ kế tiếp, và đạt

được độ lợi trải phô trong cả miền thời gian và miền tần số, tốc độ lỗi bit (BER) của
hệ thống được phân tích trong kênh fading chọn lọc tần số, với nhiễu Gauss và can
nhiễu đa truy cập. Để đánh giá hiệu quả của hệ thống MTC-MC-CDMA có tốt hơn
hệ thống đơn mã đa sóng mang (MC-CDMA) và đơn sóng mang đa mã (CDMA)
trong một băng thông cố định thì cần phải tìm hiểu.
Đây chính là hệ thống mới rất được quan tâm hiện nay. Vì vậy, em tiến hành
nghiên cứu đề tài: “HỆ THỐNG MULTICODE MULTICARRIER CDMA”.
Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án này là dựa vào các mô hình hệ
thống trong lý thuyết, từ đó xây dựng chương trình mô phỏng để đánh giá chất
lượng một hệ thống, tiến hành so sánh chất lượng giữa các hệ thống với nhau. Từ đó
thấy được những ưu điểm chính của hệ thống mà mình đang nghiên cứu. Nội dung
đồ án được chia thành 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động
Chương 2: Tông quan về CDMA và OFDM
Chương 3: Multicarrier CDMA và Multicode CDMA và MTC-MC-CDMA
Trang 7


Lời nói đầu

Chương 4: Các kết quả mô phỏng
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do thời gian
thực hiện đề tài là ít và một số hạn chế trong việc tìm hiểu tài liệu liên quan nên
chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy
cô và bạn bè.
Em xin cảm ơn Thạc sĩ Phạm Vĩnh Minh đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn
thành đồ án này. Em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông
trường Đại học Bách Khoa đã truyền thụ kiến thức trong suốt thời gian học tập ở
trường.

Trang 8


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu tông quát về sự phát triển cũng như mô hình cơ bản
của một hệ thống thông tin di động, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của kênh
truyền vô tuyến, tìm hiểu về fading và phân loại của nó…. Đồng thời trình bày một
cách khái quát về các kĩ thuật đa truy cập dùng trong các hệ thống thông tin di
động.
1.2 Khái quát về hệ thống di động tế bào
Hệ thống thông tin di động vô tuyến (Mobile Radio Communication) có
nhiệm vụ kết nối đến các thuê bao di động (gọi tắt là MS – Mobile subscriber), các
thuê bao này có thể di chuyển trong nhiều vùng địa lý khác nhau. Việc trao đôi
thông tin giữa các thiết bị di động và mạng di động thông qua giao diện vô tuyến số
(Digital Radio Interface ).
Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống thông tin di động vô tuyến được chia
thành nhiều vùng phục vụ nhỏ gọi là các tế bào vô tuyến (Radio cell). Chính vì thế
mạng thông tin di động còn được gọi là mạng thông tin di động vô tuyến tế bào số
(Digital Cellular Mobile Radio Network).
Mỗi tế bào có một trạm thu phát gốc (Base Station) và được điều khiển bởi
hệ thống tông đài di động sao cho thuê bao có thể vẫn duy trì được cuộc gọi một
cách liên tục khi di chuyển giữa các tế bào. Đây chính là một trong những điểm
khác biệt chính của mạng thông tin di động với mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng (PSTN – Public Switched Telephone Network), trong mạng này các thuê bao
sử dụng đôi dây thuê bao (Telephone Surscriber Line) đưa đến tông đài.

Trang 9


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

Hình 1.1 Cơ bản về hệ thống thông tin di động
1.3 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Mạng thông tin di động đã phát triển qua 4 thế hệ chính: gồm các thế hệ 1G,
2G, 3G và 4G.

Hình 1.2 Sự phát triển của các thế hệ hệ thống thông tin di động
1.3.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ thống thông tin di động 1G là hệ thống thông tin di động đầu tiên, sử
dụng công nghệ analog gọi là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền
kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Nhược điểm của các

Trang 10


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ. Chính vì
vậy, nó không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về cả dung lượng lẫn chất
lượng của người sử dụng.
1.3.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn
toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo thời
gian (TDMA) ra đời. Các hệ thống này có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần
được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông

tin, cho phép chuyển mạng quốc tế. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động
3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số,
phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản
đơn giản SMS.
1.3.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Ra đời vào những năm cuối của thập niên 90 nhằm đáp ứng nhu cầu thông
tin di động gia tăng. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sử dụng các kỹ thuật
đa truy cập: đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA một sóng mang và đa sóng
mang DECT, CDMA đa sóng mang (CDMA2000 hay IS2000), CDMA băng rộng
theo thời gian (WCDMA-TDD) và theo tần số (WCDMA- FDD). Nó có dải thông
khá rộng ,so với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai,hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ
sóng khắp toàn cầu. Nó có thể chuyển mạng, hoạt động mọi nơi, mọi lúc. Nó có thể
thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu tốc độ cao và thông tin đa phương tiện băng
rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, Wap(Wireless Application
Protocol) là giao thức ứng dụng không dây cho phép truy cập vào mạng Internet đọc
tin tức, tra cứu thông tin, hình ảnh…. Do đặc điểm băng tần rộng nên nó còn có thể
cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh, các dich vụ điện thoại thấy hình.
1.3.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Mạng di động 4G sử dụng các phương pháp điều chế tiên tiến như: OFDM
để nâng cao hiệu suất sử dụng phô, tiết kiệm được băng tần và rất phù hợp với các

Trang 11


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao mà ở thế hệ 3 không đáp ứng được. Ngoài ra, mạng 4G
sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) cho phép
cùng một lúc phát tín hiệu đến nhiều các thuê bao khác nhau làm nâng cao hiệu suất

kênh truyền đáng kể. Ví dụ về hệ thống 4G như WiMAX, LTE…cho phép hệ thống
hoạt động tốt ngay khi các thuê bao chuyển động.
1.4 Kênh truyền vô tuyến
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền,
nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh
truyền hữu tuyến là ôn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là
hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được
phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối…,
bị phản xạ (reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng
này được gọi chung là Fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên
bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống thông tin vô tuyến.
1.4.1 Hiệu ứng đa đường
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường
không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi
phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy,
sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi
sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng
này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa
đường, tín hiệu thu được là tông của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị
suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành
phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa
đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tượng này
gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi

Trang 12


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ
cân bằng.

Hình 1.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường
1.4.2 Suy hao đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát
đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc
phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
1.4.3 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu như trình bày ở hình 1.4. Bản chất của hiện tượng này là phô của tín hiệu
thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler [3].
Vf =

f o .V
c

(1.1)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.

Trang 13


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh
1.4.4 Hiệu ứng bóng râm

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà
cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện
tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đôi chậm. Vì vậy,
hiệu ứng này được gọi là fading chậm.
1.5 Hiện tượng Fading
Fading là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với
các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn.

Hình 1.5 Hiện tượng Fading

Trang 14


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

1.5.1 Fading phẳng (Flat Fading)
Là loại fading làm suy giảm đều mức năng lượng của sóng vô tuyến trên một
dải tần số. Và đương nhiên sự thay đôi này là không giống nhau đối với các dải tần
số khác. Ứng với loại này ta có kênh truyền fading phẳng.

Hình 1.6 Kênh truyền phẳng (f0 > W)
1.5.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading)
Là loại fading làm thay đôi tín hiệu sóng mang với mức thay đôi phụ thuộc
vào tần số. Ứng với loại này ta có kênh truyền fading chọn lọc tần số.

Hình 1.7 Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W)
1.6 Các kỹ thuật đa truy cập (multiple access techniques)
1.6.1 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)
Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số ( FDMA) là một phương pháp đa
truy cập lâu đời nhất và được thực thi rộng rãi nhất.

Trang 15


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

Trong phương pháp này, băng tần của toàn bộ hệ thống bị chia thành nhiều
phần nhỏ. Hệ thống gán cho mỗi người sử dụng một tần số khác nhau, mỗi kênh
truyền là một tần số, có nghĩa là mỗi người sử dụng có một kênh truyền riêng. Hệ
thống phân biệt tín hiệu của những người sử dụng khác bằng các kênh tần số khác
nhau. Điều này làm cho hệ thống sử dụng phô tần kém hiệu quả nhất, vì khi đang
tiến hành cuộc gọi, không một người sử dụng nào khác có thể chia sẻ cùng một
kênh tần số.
Mỗi kênh trong hệ thống FDMA là một cặp tần số, tần số cao dành cho
đường xuống, tần số thấp dành cho đường lên.
Đặc điểm chính của hệ thống FDMA:
+ Một kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm.
+ Khi kênh FDMA không được sử dụng, nó sẽ ở trong tình trạng rỗi, nhưng
không một thuê bao nào khác có thể chia sẻ, sử dụng kênh tần số này.
+ Cuộc gọi được thu phát liên tục sau khi ấn định kênh thoại.
+ Băng thông của mỗi kênh hẹp (30KHz), do đó hệ thống FDMA là
hệ thống băng hẹp.
+ Mức độ phức tạp của FDMA thấp hơn các hệ thống khác.
+ Do phân cách thuê bao bằng các tần số khác nhau, nên hệ thống cần rất ít
thông tin cho mục đích đồng bộ.
+ Dung lượng của hệ thống nhỏ. Tuy nhiên có thể tăng dung lượng bằng
cách sử dụng băng tần hẹp hơn thông qua cải tiến các kỹ thuật điều chế.
+ Sử dụng các bộ truyền song công do cả hai hướng thu và phát hoạt động
cùng một lúc, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị.
+ Ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống rất cao. Vì vậy phải sử dụng nhiều

bộ lọc tần số.

Trang 16


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

Hình 1.8 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian
1.6.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian ( TDMA) cũng chia nhỏ băng
tần của mình thành nhiều kênh tần số khác nhau. Nhưng thời gian sử dụng kênh tần
số được chia thành nhiều khe thời gian nhỏ hơn. Vì vậy, nhiều người có thể sử dụng
chung một tần số. Khi đã sử dụng hết tất cả các khe thời gian trên một tần số thì
người sử dụng tiếp theo sẽ được cấp phát một khe thời gian trên kênh tần số mới.
Điều này làm tăng thêm hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống so với hệ thống
FDMA.
Nhiều người sử dụng trên một kênh tần số được ấn định khe thời gian khác
nhau. Mỗi người chỉ có thể thu phát tín hiệu trong khe thời gian của mình. Mỗi
kênh tần số cùng với một khe thời gian tạo thành một kênh truyền bên trong hệ
thống.
Đặc điểm chính của hệ thống TDMA:
+ TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một tần số, bằng cách chia
khoảng thời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian không chồng lấp nhau,
và mỗi người sử dụng một khe thời gian. Số lượng khe tùy thuộc vào kỹ thuật điều
chế, băng thông …
+ Việc truyền tín hiệu trong TDMA diễn ra không liên tục mà thành từng
cụm nhỏ. Vì vậy, máy di động có thể giảm bớt năng lượng tiêu hao cho việc thu
phát tín hiệu, dẫn đến thời gian sử dụng tăng lên.
+ Trong các khe thời gian rỗi, máy di động đo đạc mức công suất của các
trạm phát khác.

Trang 17


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

+ TDMA cần nhiều thông tin cho quá trình đồng bộ ban đầu hơn FDMA do
chế độ truyền không liên tục và chia khe thời gian.
+ Có thể cấp phát băng tần theo yêu cầu thông qua việc ấn định nhiều kênh
cho một người sử dụng để tăng tốc độ của dịch vụ. Vì vậy, tốc độ dịch vụ có thể
được cải thiện.

Hình 1.9 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian
1.6.3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
Đây là một cách truy cập khác hẳn hai cách trên. Theo cách này, tất cả mọi
người sử dụng trong một tế bào cùng truyền/nhận thông tin một lúc và trên cùng
một băng tần số. Do vậy vấn đề nhiễu lẫn nhau giữa những người sử dụng trong
cùng một tế bào, giữa những người sử dụng ở các tế bào cạnh nhau (do việc sử
dụng lại tần số ở các tế bào cạnh nhau) là một vấn đề lớn nhất trong cách truy cập
CDMA này. Để khắc phục vấn đề này, mỗi người sử dụng trong một tế bào sẽ được
gán một mã (code) đặc biệt và không có hai người sử dụng nào trong cùng một tế
bào có cùng một mã (có nghĩa là mỗi người có một mã riêng biệt). Máy thu sẽ căn
cứ vào mã của mỗi người sử dụng để khử bớt (không thể khử hết) nhiễu của những
người sử dụng khác trong cùng một tế bào và khôi phục tín hiệu của người đó.
Trong kỹ thật này có nhiễu trong tế bào (intra-cell interference) và nhiễu giữa các tế
bào (inter-cell interference).

Trang 18

Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) không phân chia nhỏ phô
tần, cũng không chia thời gian thành các khe, mà tất cả những người sử dụng khác
nhau đều được phép sử dụng toàn bộ băng tần trong cùng một thời gian.
Hệ thống trải phô có khả năng chống lại nhiễu đa đường và tăng dung lượng
đa truy cập. Hiệu quả sử dụng băng tần rất cao khi có nhiều người cùng sử dụng hệ
thống.
Các đặc điểm chính của CDMA:
+ Cho phép mỗi người dùng sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống trong
cùng một thời gian.
+ Mỗi người sử dụng sẽ có một mã khác nhau để phân biệt. Mã được sử
dụng để mã hóa và điều chế.
+ Sử dụng hiệu quả phô tần hơn các hệ thống FDMA và TDMA.
+ Hệ thống có tính bảo mật cao.
+ Cho phép cấp phát tài nguyên mềm dẻo. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ có tốc
độ khác nhau.

Hình 1.10 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã
1.7 Kết luận chương
Chương 1 trình bày sơ lược về sự phát triển của các hệ thống thông tin di
động, bên cạnh đó chương này cũng cung cấp các kiến thức cơ bản về kênh truyền
vô tuyến, các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền như hiệu ứng đa đường (multi
path), hiện tượng dopper, suy hao kênh truyền , hiệu ứng bóng râm… và các dạng

Trang 19


Chương 1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động

kênh truyền như kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số, pha đinh phẳng có mức ảnh
hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của tín hiệu tại đầu vào của máy thu.
Ngoài ra trong chương này cũng trình bày khái quát về các phương pháp đa
truy cập, đó là: FDMA, TDMA, CDMA. Nếu như trong FDMA mỗi user chiếm một
phô tần riêng thì đến TDMA, các user có thể sử dụng chung phô tần đó miễn là ở
các khe thời gian khác nhau. Còn đối với CDMA, các user có thể sử dụng chung
băng tần ở cùng một khe thời gian miễn là được phân biệt với nhau bằng các chuỗi
mã khác nhau. Như vậy từ FDMA, TDMA cho đến CDMA thì hiệu suất sử dụng
kênh truyền ngày càng tăng, phục vụ tốt với hệ thống có dung lượng lớn và tốc độ
cao. Cụ thể về CDMA cũng như công nghệ mới là OFDM sẽ được trình bày trong
chương 2.

Trang 20


Chương 2 Tông quan về hệ thống CDMA và OFDM

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CDMA VÀ OFDM
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật CDMA và OFDM, với kỹ thuật
trải phô bằng các chuỗi mã M-sequences, mã Wash – Hadamard , chuỗi Gold của
CDMA, tìm hiểu về hệ thống OFDM với nguyên lý điều chế, tính trực giao, biến
đôi FFT và IFFT, những ưu nhược điểm của hệ thống OFDM.
2.2 Công nghệ CDMA
2.2.1 Tổng quan về CDMA
Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng
trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ
bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA dần dần được thương
mại hóa.

Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã (chuỗi
trải phô) dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin. Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được
đồng bộ giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải biết được chuỗi
mã đó để mã hoá tín hiệu. Kỹ thuật trải phô tín hiệu giúp các người dùng không gây
nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số. Điều này
dễ dàng thực hiện được vì tương quan chéo giữa mã của người dùng mong muốn và
mã của các người dùng khác thấp. Do tín hiệu mã hóa được chọn có băng thông lớn
hơn rất nhiều so với tín hiệu mang tin tức nên quá trình mã hóa sẽ mở rộng phô của
tín hiệu. Tín hiệu sau khi mã hóa thường được gọi là tín hiệu phô trải rộng (spread –
spectrum signal) và CDMA cũng thường được hiểu như là kỹ thuật đa truy cập phô
trải rộng (spread – spectrum multiple access).
Ở các hệ thống thông tin trải phô, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở
rộng hằng trăm lần trước khi phát. Trải phô không mang lại hiệu quả về mặt sử
dụng băng thông đối với hệ thống đơn người dùng. Tuy nhiên nó có ưu điểm trong

Trang 21


Chương 2 Tông quan về hệ thống CDMA và OFDM

môi trường đa người dùng vì các người dùng này có thể dùng chung một băng tần
trải phô với can nhiễu lẫn nhau không đáng kể.[3]
2.2.2 Kỹ thuật trải phổ trong CDMA
Trải phô làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu
không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra
được bản tin. Để biến đôi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu
nhiên để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể
tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản
tin.
Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có

độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được
mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phô gần bằng độ rộng phô của
tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phô”. Ở máy thu
thực hiện quá trình nén phô tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phô bằng độ rộng
phô ban đầu của bản tin.
Nguyên lý trải phô là cung cấp tất cả tiềm năng tần số và thời gian đồng thời
cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ thuê bao để đủ duy trì tỷ số tín
hiệu trên tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu. Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu
băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần số. Theo cách đó mỗi thuê bao tham
gia vào, và tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi thấp
nhất bằng cách khống chế công suất phát. Như vậy một hệ thống được coi là trải
phô nếu:
+ Tín hiệu trải phô (tín hiệu phát) phải có độ rộng phô lớn hơn nhiều
lần độ rộng phô của tín hiệu thông tin gốc cần truyền.
+ Trải phô được thực hiện bằng mã độc lập với dữ liệu gốc.
Hình vẽ 2.1 minh họa một hệ thống thông tin trải phô, trong đó i(t) là tín hiệu
tin tức có tốc độ dữ liệu là Ri và băng thông Bi , c(t) là chuỗi trải phô có tốc độ ký
hiệu là Rc , còn gọi là tốc độ chip. Tỷ số băng thông BS của tín hiệu trải phô so với
băng thông tin tức Bi được định nghĩa là độ lợi xử lý [3]:

Trang 22


Chương 2 Tông quan về hệ thống CDMA và OFDM

B
GS = S
Bi

(2.1)

Hình 2.1 Hệ thống thông tin trải phổ
Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phô:
+ 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 phô riêng biệt, khi máy thu nhận
được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn.
+ Tính bảo mật thông tin cao: Mật độ phô công suất của tín hiệu trải phô rất
thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện
được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết
được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể
thu nhận được tin tức.
+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường: Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ,
tán xạ, nhiễu xạ… của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền
theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy
hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín

Trang 23


Chương 2 Tông quan về hệ thống CDMA và OFDM

hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ
thuật trải phô có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phô sử dụng tốt tính
chất tự tương quan của nó.
Có 3 kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:
+ Trải phổ dãy trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): tạo
tín hiệu băng rộng bằng cách điều chế dữ liệu đã được điều chế bởi sóng mang bằng
tín hiệu băng rộng hoặc mã trải phô. Tức là hệ thống DSSS đạt được trải phô bằng
cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên.

+ Trải phổ nhảy tần FHSS (Frequency Hopping Spectrum): là sử dụng
chuỗi mã để điều khiển tần số sóng mang của tín hiệu phát. Trong trường hợp này
tín hiệu phát là tín hiệu đã được điều chế những sóng mang nhảy tần từ tần số này
sang tần số khác trên một tập lớn các tần số. Chuỗi tần số được quy định bởi một
mã trải phô.
+ Trải phổ nhảy thời gian THSS (Time Hopping Spread Spectrum):
Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia thành k
khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ sử dụng
một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ
gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần
thiết để truyền tăng gấp k lần.
2.3 Mã trải phổ
Một hệ thống trải phô thông tin trải rộng các tín hiệu thông tin gốc của người
dùng bằng cách dùng chuỗi các ký hiệu đặc biệt. Sau đó máy thu đồng bộ dãy các
ký hiệu có liên quan thu được lại với nhau để khôi phục lại thông tin gốc. Do nhiễu
tương tự như tính chất của chuỗi trải phô thì việc “nghe trộm” là không đơn giản.
Trải phô trực tiếp khai thác tính chất tự tương quan của các mã để kết hợp một cách
tối ưu các tín hiệu đa đường của một cá nhân. Ngược lại, các mã của người dùng có
tương quan chéo thấp, chúng có thể được khai thác để trải phô tín hiệu của mỗi
người dùng. MC CDMA cũng dựa vào tính chất của tương quan chéo này trong

Trang 24