Mạng thông tin di động CDMA và chuỗi PN offset

NGUYỄN VĂN CHIẾN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------[[\\------------ 

NGUYỄN VĂN CHIẾN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
ĐIỆN TỬ VIÊN THÔNG

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA VÀ
CHUỖI PN OFFSET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ VIÊN THÔNG

KHOÁ 2009-2011

Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------[[\\------------ 

Họ và tên tác giả luận văn

NGUYỄN VĂN CHIẾN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA VÀ CHUỖI
PN OFFSET

CHUYÊN NGHÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỖ XUÂN THỤ


Luận văn thạc sỹ khoa học

MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................ 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA....................................................... 9
1.1

Tổng quan................................................................................................................ 9

1.1.1

Cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động ............................................... 9

1.1.2

Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào ........................ 12

1.1.2.1

Thế hệ thứ nhất ....................................................................................... 12

1.1.2.2

Thế hệ thứ hai ......................................................................................... 12

1.1.2.3

Thế hệ thứ ba. ......................................................................................... 13

1.1.3

Các phương pháp đa truy nhập ...................................................................... 14

1.1.3.1

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) ......................................... 15

1.1.3.2
Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA-Time division Multiple
Access)…. ................................................................................................................ 16
1.1.3.3

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple
Access)…. ................................................................................................................ 17
1.2

Thủ tục phát/thu tín hiệu ....................................................................................... 18

1.3

Các đặc tính của CDMA ....................................................................................... 18

1.3.1

Tính đa dạng của phân tập ............................................................................. 18

1.3.2

Điều khiển công suất...................................................................................... 20

1.3.3

Dung lượng hệ thống ..................................................................................... 21

1.3.3.1

Hiệu ứng của tải...................................................................................... 22

1.3.3.2

Hiệu ứng sector hóa ................................................................................ 24

1.3.3.3

Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại........................................................... 26

1.3.4

Bộ mã, giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi ............................................. 26

1.3.5

Bảo mật cuộc gọi ........................................................................................... 27

1.3.6

Chuyển giao (Handoff) ở hệ thống CDMA ................................................... 27

1.3.6.1

Chuyển giao mềm ................................................................................... 28

1.3.6.2

Chuyển giao mềm hơn ............................................................................ 29

1.3.6.3

Chuyển giao cứng ................................................................................... 29

Nguyễn Văn Chiến

1

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

1.3.7

Tách tín hiệu thoại ......................................................................................... 29

1.3.8

Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng............................................................. 29

1.3.9

Giá trị Eb/N0 thấp (hay C/I) và chống lỗi. ...................................................... 30

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CÔNG NGHỆ CDMA ........................... 31
2.1

Mở đầu .................................................................................................................. 31

2.2

Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp .................................................................... 33

2.2.1

2.2.1.1

Máy phát DSSS-BPSK ........................................................................... 33

2.2.1.2

Máy thu DSSS – BPSK .......................................................................... 35

2.2.2
2.3

Hệ thống DSSS-BPSK ................................................................................... 33

Hệ thống DSSS-QPSK................................................................................... 38

Các hệ thống trải phổ nhảy tần ............................................................................. 43

2.3.1

Giới thiệu về hệ thống trải phổ nhảy tần ....................................................... 43

2.3.1.1

Máy phát FHSS ...................................................................................... 43

2.3.1.2

Máy thu FHSS ........................................................................................ 45

2.3.2

Nhảy tần nhanh với điều chế M- FSK ........................................................... 47

2.3.3

Tốc độ nhảy tần cho các hệ thống nhảy tần nhanh ........................................ 48

2.3.4

Hệ thống trải phổ nhảy tần chậm ................................................................... 49

2.4

Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian .................................................................... 50

2.4.1

Khái niệm hệ thống trải phổ nhảy thời gian ................................................. 50

2.4.2

Nguyên lý của hệ thống trải phổ nhảy thời gian ............................................ 50

2.5

Hệ thống dịch lai- Nhảy tần chuỗi trực tiếp .......................................................... 52

2.6

So sánh các hệ thống trải phổ ................................................................................ 54

CHƯƠNG 3: CÁC MÃ TRẢI PHỔ GIẢ NGẪU NHIÊN (PN) ......................................... 56
3.1

Mở đầu .................................................................................................................. 56

3.2

Nhiệm vụ của chuỗi giả ngẫu nhiên ...................................................................... 57

3.3

Cơ sở toán học của chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) ..................................................... 57

3.3.1

Số học nhị phân và trường ............................................................................. 57

3.3.2

Tổ hợp tuyến tính ........................................................................................... 57

3.3.3

Các đa thức tối giản nhị phân ........................................................................ 58

3.3.4

Các trường ..................................................................................................... 58

3.3.5

Các trường hữu hạn........................................................................................ 58

Nguyễn Văn Chiến

2

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

3.4

3.5

Nguyên tắc cơ bản của các bộ tạo dãy PN ............................................................ 59
3.4.1

Bộ tạo dãy Fibonacci(F) ............................................................................. 59

3.4.2

Chuỗi lũy thừa và đa thức đặc tính. ........................................................... 61

3.4.3

Bộ tạo dãy Galois ....................................................................................... 62

Dãy độ dài cực đại (dãy m) ................................................................................... 64

3.5.1

Các tính chất của dãy m ................................................................................. 70

3.5.2

Tính chất tương quan ..................................................................................... 71

3.6

Một số mã trải phổ đặc biệt khác .......................................................................... 71

3.6.1

Chuỗi mã Gold ............................................................................................... 71

3.6.2

Chuỗi mã Walsh............................................................................................. 73

3.6.3

Chuỗi mã Kasami........................................................................................... 74

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................................ 76
4.1

Mở đầu ................................................................................................................. 76

4.2

Chương trình mô phỏng ........................................................................................ 76

4.3

Kết quả thực hiện quá trình mô phỏng. ................................................................. 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 80

Nguyễn Văn Chiến

3

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

DSSS

Direct Sequence Spread spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Access
FSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch tần số

IMT-2000

Internationnal Mobile

Các tiêu chuẩn viễn thông di động

Telecommunications

toàn cầu 2000

Interim Standard-95

Chuẩn thông tin di động CDMA của

IS95CDMA
ISDN

Mỹ (Do Qualcom đề xuất)
Intergrated Services Digital

Mạng số đa dịch vụ

Network
MS

Mobile Station

Máy di động

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

PDSN

Packet Data Switching Node

Điểm chuyển mạch số liệu gói

PN

Pseudo Noise

Giả ngẫu nhiên

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

Nguyễn Văn Chiến

4

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Bảng giá trị của phép toán cộng và nhân hai số nhi phân .................................... 57
Bảng 3.2 Bảng giá trị cho phép cộng ................................................................................... 59
Bảng 3.3 Bảng mã đầu ra thanh ghi dịch ứng với sơ đồ hình 3.6 .................................. 68
Bảng 3.4 Bảng mã đầu ra thanh ghi dịch ứng với sơ đồ hình 3.7 .................................. 69

Nguyễn Văn Chiến

5

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào. .......................................................... 10
Hình 1.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số ................................................. 15
Hình 1.3 Phổ tín hiệu FDMA .............................................................................................. 16
Hình 1.4 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian............................................. 16
Hình 1.5 Phổ tín hiệu TDMA .............................................................................................. 17
Hình 1.6 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã ...................................................... 17
Hình 1.7 Phổ tín hiệu CDMA .............................................................................................. 18
Hình 1.8 Sơ đồ bộ thu phát tín hiệu CDMA ........................................................................ 18
Hình 1.9 Tổng công suất của hệ thống CDMA ................................................................... 22
Hình 1.11 Minh họa hệ số tải............................................................................................... 24
Hình 1.12 Một Cell được sector hóa .................................................................................... 25
Hình 1.13 Chuyển giao mềm của 2 BS đường xuống và đường lên ................................... 28
Hình 2.1 Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15. ....................... 33
Hình 2.2 Sơ đồ khối của máy phát DSSS-BPSK ................................................................. 34
Hình 2.3 Giản đồ của máy phát DSSS-BPSK ..................................................................... 35
Hình 2.4 Sơ đồ máy thu DSSS – BPSK .............................................................................. 35
Hình 2.5 Giản đồ của máy thu DSSS-BPSK … .................................................................. 36
Hình 2.6 Các dạng sóng ở hệ thống DSSS-QPSK cho điều chế đồng thời ở 1 bít ở cả hai
nhánh I và Q ......................................................................................................................... 39
Hình 2.7 Sơ đồ khối của máy thu DSSS-QPSK .................................................................. 40
Hình 2.8 Thí dụ c1(t) và c2(t) nhận được từ cùng một c(t)................................................... 42
Hình 2.9 Sơ đồ khối cho máy phát FHSS ............................................................................ 44
Hình 2.10 Sơ đồ khối cho máy thu FHSS............................................................................ 46
Hình 2.11 Biểu đồ cho hệ thống nhảy tần nhanh với điều chế M-FSK với M=4 ................ 48
Hình 2.12 Biểu đồ tần số cho một hệ thống nhảy tần chậm điều chế FSK ......................... 50
Hình 2.13 Biểu đồ thời gian cho một hệ thống nhảy tàn thời gian THSS ........................... 51
Hình 2.14 Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/SS ................................................................ 53
Hình 2.15 Bộ điều chế tổng hợp FH/SS .............................................................................. 54
Hình 2.16 Bộ thu tổng hợp FH/SS ....................................................................................... 54
Hình 3.1 Thanh ghi dịch M tầng hồi tiếp tuyến tính dạng Fibonacci .................................. 61

Hình 3.2 LRSR bộ nhớ tối thiểu trong cấu hình Galoa ....................................................... 64

Nguyễn Văn Chiến

6

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 3.3 Mạch thanh ghi dịch ............................................................................................. 64
Hình 3.4 Sơ đồ tạo chuỗi mã m với g(x)=x5+x4+x3+x+1 ............................................... 66
Hình 3.5 Mạch thanh ghi dịch tốc độ cao ........................................................................ 66
Hình 3.6 Mạch thanh ghi dịch tốc độ cao cho g(x)=x5+x4+x3+x+1 .............................. 67
Hình 3.7 Mạch thanh ghi dịch cho đa thưc tạo mã g(x)= x4+x3+x2+x+1 ..................... 69
Hình 3.8 Mạch thanh ghi dịch cho đa thức tạo mã g(x)= x3+x2+1 ...................................... 70
Hình 3.9 Bộ tạo chuỗi mã Gold cho cặp ưa chuộng g1(x)=x3+x2+1 và g2(x)=x3+x+1 ........ 73
Hình 4.1 Giao diện chương trình mô phỏng ........................................................................ 76
Hình 4.2: Giá trị tương quan của chuỗi PN và Gold ........................................................... 77
Hình 4.3: Giá trị tương quan chéo của chuỗi Gold và chuỗi PN ......................................... 78

Nguyễn Văn Chiến

7

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ điện tử, tin học, công nghệ viễn
thông trong những năm qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các
loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn và chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của người dùng.
Thế kỷ 21 đã chứng kiến sự bùng nổ của ngành thông tin vô tuyến và thông
tin di động đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nhu cầu thông tin ngày càng cao
của người dùng đã thúc đẩy thế giới tìm ra phương thức thông tin mới. Và công
nghệ CDMA đã trở thành mục tiêu hướng tới của ngành thông tin di động thế giới.
Trong công nghệ CDMA thì vấn đề quan trọng và là cốt lõi của hệ thống đó
là mã trải phổ. Trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc, các đặc tính của mã
trải phổ, em chọn đề tài “Mạng thông tin di động CDMA và chuỗi PN offset”.

Nội dung của luận văn gồm có các phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ CDMA
Chương 2: Kỹ thuật trải phổ trong công nghệ CDMA
Chương 3: Các mã trải phổ giả ngẫu nhiên (PN)
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng rất nhiều
nhưng cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự phê bình,
hướng dẫn và giúp đỡ của thầy, cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Xuân Thụ đã tận tình chỉ bảo, hướng
dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011
Nguyễn Văn Chiến

Nguyễn Văn Chiến

8

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA
1.1 Tổng quan
Thông tin di động lần đầu tiên được sử dụng năm 1920 trong quân đội. Cùng
với sự phát triển như vũ bão của ngành Điện Tử Viễn Thông, thông tin di động
cũng có những bước phát triển đáng kể cả về số lượng cũng như chất lượng. Mặc dù
mới phát triển nhưng thông tin di động đã nhanh chóng trải qua ba thế hệ. Thế hệ
thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng đa truy nhập phân chia theo
tần số FDMA. Thế hệ thứ hai là thế hệ thông tin di động số có tốc độ cao sử dụng
công nghệ đa truy nhập theo mã băng rộng W_CDMA.
Công nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng chiếm
cùng một kênh vô tuyến và có thể tiến hành đồng thời các cuộc gọi. Những người
sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng
với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những
kênh này cũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên. Một kênh
CDMA rộng 1,23 MHz, với hai dải biên phòng vệ là 0,27 MHz, tổng cộng 1,77
MHz. Công nghệ CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt (Chip rate) là 1,2288 MHz.
Dòng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chiế ở tốc độ cắt. Tốc độ này chính là tốc độ
mã đầu ra của máy phát PN.
Để nén phổ trở lại tín hiệu gốc thì máy thu phải sử dụng mã trải phổ PN
chính xác như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát. Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc
không đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận
được.
Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một
dải tần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc. Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén

trở lại về phổ của tín hiệu gốc.
1.1.1 Cấu trúc chung của hệ thống thông tin di động
Khác với hệ thống thông tin cố định, các thiết bị đầu cuối của hệ thống thông
tin di động truy nhập vào mạng thông qua giao diện vô tuyến. Do vậy thuê bao chỉ
có thể truy nhập vào mạng khi nằm trong vùng phủ sóng của hệ thống. Vùng phục

Nguyễn Văn Chiến

9

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

vụ của hệ thống thông tin di động được chia thành các vùng nhỏ gọi là tế bào (Cell).
Mỗi tế bào có một trạm gốc quản lý và điều khiển để đảm bảo thuê bao vẫn duy trì
được cuộc gọi khi di chuyển giữa các tế bào.
Cấu trúc chung của hệ thống thông tin tế bào bao gồm
-

Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem)

-

Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào.
Hệ thống di động tế bào bao gồm:
-

MS: Máy di động

-

BSS: Hệ thống trạm gốc

-

BTS: Trạm thu phát gốc

-

BSC: Trạm điều khiển trạm gốc

-

SS: Hệ thống chuyển mạch

-

VLR: Bộ định vị tạm trú

-

HLR: Bộ định vị thường trú

-

MSC: Trung tâm chuyển mạch di động

-

EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

-

AUC: Trung tâm nhận thực

-

OMC: Trung tâm vận hành bảo dưỡng

Nguyễn Văn Chiến

10

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

-

ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ

-

PSPDN:Mạng chuyển mạch công cộng theo gói

-

CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng

-

PSTN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng

-

PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng

Trong đó:
MS: Gồm bộ thu phát RF, anten và bộ điều khiển
BTS: Bao gồm bộ thu phát RF để kết nối với MS với MSC, bộ điều khiển,
anten và đầu cuối số liệu.
BSC: làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTS và chịu trách nhiệm
chuyển đổi thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU.
MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều
khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập
vào tổng đài của mạng PSTN
MSC bao gồm:
-

Bộ điều khiển

-

Bộ kết nối cuộc gọi

-

Thiết bị ngoại vi cung cấp chức năng thu thập số liệu cước với các cuộc
gọi đã hoàn thành.

MS, BTS, MSC được kết nối với nhau thông qua đường kết nối thoại và số
liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát (Kênh có thể là RF, CDMA,
TDMA), cặp kênh này có thể thay đổi khi MS di chuyển qua lại giữa các tế bào.
Bộ điều khiển của MSC sẽ điều khiển sắp đặt, quản lý hoạt động của toàn bộ
hệ thống. MSC kết nối để thiết lập các cuộc gọi giữa các thuê bao với nhau và trao
đổi thông tin báo hiệu đa đường qua đường số liệu giữa MSC với BS.Việc trao đổi
thông tin giữa BTS và MSC có thể thực hiện bằng đường vô tuyến hoặc cáp.
HLR chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu một cách thường xuyên kể từ khi
MS bắt đầu xâm nhập mạng.

Nguyễn Văn Chiến

11

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

VLR chính là HLR lưu động, nó chỉ làm nhiệm vụ lưu giữ số liệu tạm thời
khi MS lưu động.
AUC có chức năng xác nhận số liệu lấy từ HLR
EIR có chức năng cho phép hay không cho phép MS vào mạng.
1.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào [5],[9]
Hệ thống thông tin di động đã trải qua hai thế hệ và đang tiến tới thế hệ thứ

ba. Các thế hệ đó là:
-

Thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự.

-

Thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ số hiện hành

-

Thế hệ thứ ba được thiết kế cho thông tin đa phương tiện.

1.1.2.1 Thế hệ thứ nhất
Thế hệ thứ nhất dựa trên kỹ thuật truyền dẫn tương tự và được thiết kế để
cung cấp cho dịch vụ thoại di động cục bộ với vùng phủ sóng trên diện tích nhỏ gọi
là ô (tế bào). Các hệ thống theo tiêu chuẩn khác nhau được phát triển ở khắp thế
giới. Các hệ thống này sử dụng công nghệ đa truy nhập FDMA và đã phát triển
mạnh
Quá trình phát triển được thể hiện như sau:
-

1946: Dịch vụ thoại di động đầu tiên được giới thiệu bởi AT&T tại Mỹ

-

1979: Thử nghiệm hệ thống thoại di động tiên tiến (AMOBILE
PHONES) ở Mỹ và MCS-L1 được giới thiệu ở Nhật bởi NTT (Dựa trên
AMOBILE PHONES với các kênh 25 KHz)

-

1981: NMT 450 được đưa ra thị trường (Ả Rập và Thụy Điển) sử dụng
băng tần 450 MHz

-

1983: AMOBILE PHONES (Chicago) được đưa ra thị trường.

-

1985: Hệ thống C450 được đưa ra thị trường tại Đức, hệ thống TACS
(Dựa trên AMOBILE PHONES) được đưa ra thị trường tại Anh.

1.1.2.2 Thế hệ thứ hai
Là thế hệ ra đời đứng trước sự lựa chọn kỹ thuật tương tự và số. Các tổ chức
tiêu chuẩn trên thế giới đã chọn kỹ thuật số làm cơ sở phát triển.

Nguyễn Văn Chiến

12

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Thế hệ này với khả năng truyền thoại theo đường vô tuyến đã đẩy số lượng
điện thoại di động vượt qua số lượng điện thoại có dây và sự xâm nhập của điện
thoại di động tại trên 70% các quốc gia trên thế giới.

Thế hệ này được thiết kế cho các dịch vụ như thoại số và dữ liệu tốc độ thấp
(các bản tin ngắn). Nó cũng cung cấp truyền gói ở tốc độ thấp và trung bình. Dịch
vụ truyền gói bằng vô tuyến là một phần phụ của chuyển mạch GSM và các dịch vụ
chuyển vùng và chuyển vùng quốc tế.
Quá trình phát triển:
-

1982: Nhóm đặc trách di động (GSM) được ra đời ở Châu Âu.

-

1988: Viện tiêu chuẩn Châu Âu được thành lập.

-

1992: Hầu hết các nhà vận hành ở Châu Âu đều đưa mạng GSM vào khai
thác thương mại

-

1993: Hệ thống CSCS 1800 đầu tiên được đưa ra thị trường tại Anh.

-

1994: D-AMOBILE PHONES (IS-54) được đưa vào thị trường tại Mỹ.

-

1995: N-CDMA (IS - 95) được đưa ra thị trường tại Hồng Kông và Hàn
Quốc.

-

1995: DSCS 1900 (D-AMOBILE PHONES băng tần 1900 MHz, IS-136).

1.1.2.3 Thế hệ thứ ba.
Các hệ thống thế hệ thứ 3 của tương lai là sự phát triển nâng cấp đặc biệt từ
hệ thống thứ hai tập trung chủ yếu vào khía cạnh cung cấp dịch vụ cho người dùng.
Các hệ thống thứ 3 sẽ cung cấp các dịch vụ có tốc độ truyền dẫn cao, truyền dẫn đa
phương tiện và cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói hiệu quả hơn. Hiệu quả sử
dụng phổ tần truyền dẫn tốc độ cao đã thành hiện thực cùng với sự phát triển của kỹ
thuật số ở cả thuật toán xử lý tín hiệu và kỹ thuật mạch tích hợp.
Với thế hệ này ngoài việc có thể tìm gọi, nhắn tin, đàm thoại thông thường
còn có thể truy cập vào mạng Internet đọc báo trí, tra cứu thông tin… Do băng tần
mở rộng nó cung cấp dịch vụ thoại thấy hình, truyền hình ảnh…
Quá trình phát triển:

Nguyễn Văn Chiến

13

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Chính do sự thành công to lớn trên phạm vi toàn thế giới của GSM các nhà
vận hành Châu Âu và các nhà sản xuất đã không chú ý tới một hệ thống mới cho
đến giữa thập niên 90.
Chỉ sau khi ITU đưa ra định hướng về một hệ thống di động mới cần phát

triển những năm đầu của thế kỷ 21, các hoạt động cụ thể đối với UMTS của ETSI
mới được thực thi năm 1995.
Hệ thống 3G tương lai sau đó đã được ITU đặt tên là IMT-2000. Hệ thống
viễn thông quốc tế của thế kỷ 21. Thời hạn chót để các tổ chức tiêu chuẩn khu vực
đệ trình các dự thảo kỹ thuật của mình cho IMT-2000 đã được ITU đặt ra là tháng 7
năm 1998.
Đến tháng 1/1998, ITSI chọn hai kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến (Từ bốn đề
xuất khác nhau) cho truy nhập vo tuyến mặt đất toàn cầu đối với UMTS đó là
UTRA FDD và UTRA TDD, chính là hai kỹ thuật dùng cho IMT-2000.
Một loạt các đề xuất truyền dẫn vô tuyến mặt đất được đề xuất với ITU vào
tháng 1/1998. Trong đó có một số đề xuất kỹ thuật đa truy nhập vô tuyến theo mã
băng thông rộng của ETSI, TTC/ARBI (Nhật Bản), TTA (Hàn Quốc), ANSI T1
(Mỹ) và TIA (Mỹ) mà có thể phân ra làm hai nhóm. Một là nhóm đề xuất đòi hỏi
các trạm gốc đồng bộ và được xây dựng dựa trên nền IS – 95 2G và đề xuất còn lại
không dựa trên cơ sở trạm gốc đồng bộ.
Đến cuối năm 1998 cả hai đề tài đều được tài trợ bởi các tổ chức tiêu chuẩn
khu vực gọi là 3GPP và 3GPP2. Mục đích chính của 3GPP và 3GPP2 đều là kết hợp
các đề xuất cơ bản về CDMA băng rộng thành một đề xuất duy nhất. Đây là hai tiêu
chuẩn được chấp nhận cho IMT-2000.
1.1.3 Các phương pháp đa truy nhập
Mặc dù hệ thống thông tin vô tuyến có rất nhiều ưu điểm cực kỳ tiện dụng
cho người sử dụng. Song với hệ thống này có một vấn đề được đặt ra đó là nguồn
tài nguyên (Tần số, thời gian), truy nhập bởi nhiều người sử dụng khác nhau tại
cùng một nơi, cùng một lúc chỉ có giới hạn nhất định. Để giải quyết vấn đề này

Nguyễn Văn Chiến

14

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

người ta đưa ra giao thức đa truy nhập (MAP) nhằm tăng hiệu quả sử dụng tài
nguyên tần số có hạn.
Các yêu cầu đối với MAP là:
-

Giao thức phải điều khiển, chọn kênh để cung cấp nguồn tài nguyên khi
người sử dụng truy cập cho phù hợp.

-

Giao thức thực hiện ẩn định kênh hợp lý sử dụng hiệu quả.

-

Việc cung cấp tài nguyên đảm bảo mỗi người sử dụng đủ dung lượng.

-

Giao thức linh hoạt cho phép truyền đi nhiều loại tải như thoại, số liệu.

1.1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
Nguyên tắc: Phổ tần số cung cấp cho kênh thông tin được chia thành 2N
kênh tần kế tiếp, giữa chúng có khoảng tần bảo vệ. Mỗi người sử dụng được gán
cho một kênh tần riêng. N kênh kế tiếp dành cho hướng lên, N kênh dành cho
hướng xuống.

.
Hình 1.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số
Đặc điểm:
-

Kênh tần số sử dụng trong thời gian liên lạc có thể thay đổi khi MS di
chuyển từ một tế bào sang một tế bào bên cạnh (Chuyển vùng).

-

Nhiễu giao thoa do các kênh tần số kề nhau.

-

BTS có nhiều bộ thu phát riêng cho mỗi MS làm việc trên một kênh tần
số riêng.

Nguyễn Văn Chiến

15

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.3 Phổ tín hiệu FDMA
1.1.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA-Time division Multiple
Access)
Nguyên tắc: Phổ tần cung cấp chia thành các kênh, mỗi kênh tần được chia N

khe thời gian, mỗi kênh ứng với một khe thời gian nhất định trong một chu kỳ
chung. Mỗi kênh (Khe thời gian) được ấn định cho người sử dụng khác nhau. Tin
tức là tín hiệu số tổ chức dạng gói, gói có bít địa chỉ đầu, cuối, bít đồng bộ…

Hình 1.4 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian
Đặc điểm:
-

Tín hiệu truyền đều là tín hiệu số.

-

Liên lạc song công, mỗi hướng ở các dải tần khác nhau.

-

Việc đồng bộ, trễ rất phức tạp.

Nguyễn Văn Chiến

16

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.5 Phổ tín hiệu TDMA
1.1.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple
Access)

Nguyên tắc: Giao thức CDMA không chia sẻ phổ tần số hay thời gian mà nó
phân chia bằng cách mỗi người sử dụng sẽ được phân biệt với nhau bằng các mã
khác nhau (mã trải phổ). Tín hiệu được trải phổ trên băng tần rộng. Để thu được dữ
liệu ban đầu, thì máy thu phải dùng mã trải phổ chính xác như khi tín hiệu được xử
lý ở bên phát. Nếu mã trải phổ ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã trải phổ
tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể thu và hiểu được ở máy thu.

Hình 1.6 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã
Đặc điểm:
-

Phổ tần trải rộng gấp nhiều lần phổ tín hiệu ban đầu.

-

Sử dụng mã giả ngẫu nhiên.

-

Có rất nhều loại giao thức CDMA khác nhau: DS, FH,..

-

Giảm nhiễu Fading đa đường.

Nguyễn Văn Chiến

17

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.7 Phổ tín hiệu CDMA
1.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu
Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát được mã hóa, lặp, chèn và được nhân
với sóng mang f0 và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128).
Tín hiệu đã được điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng là 1,25
MHz sau đó được phát qua anten.
Ở đầu thu sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa đến bộ
tương quan qua bộ lọc băng thông độ rộng 1,25 MHz và số liệu thoại mong muốn
được tách ra để tái tạo số liệu thoại nhờ sử dụng bộ tách, chèn và giải mã.

Hình 1.8 Sơ đồ bộ thu phát tín hiệu CDMA
1.3 Các đặc tính của CDMA [1]
1.3.1 Tính đa dạng của phân tập [2]
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống
điện thoại tổ ong thế hệ đầu tiên thì tính đa đường tạo nên nhiều fading nghiêm

Nguyễn Văn Chiến

18

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

trọng. Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế

CDMA băng rộng vì các tín hiêu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách
độc lập. Fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì các hiện tượng
fading đa đường xảy ra liên tục do đó bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu một
cách độc lập được.
Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có ba loại phân tập là phân
tập tần số, phân tập thời gian và phân tập theo khoảng cách.
Phân tập thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai.
Hệ thống CDMA băng rộng sử dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng
khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số và có ảnh
hưởng đến băng tần báo hiệu (200-300) KHz.
Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo ba cách sau:
-

Thiết lập nhiều đường báo hiệu (Chuyển vùng mềm) để kết nối máy di
động đồng thời với hai hoặc nhiều BS.

-

Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu
quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ
thời gian.

-

Đặt nhiều anten tại BS. Hai cặp anten thu của BS, bộ thu đa đường và kết
nối với nhiều BS (Chuyển vùng mềm).

Phân tập anten có thể dễ dàng áp dụng đối với các hệ thống FDMA và TDMA. Phân
tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã
truyền dẫn cao với thủ tục sửa sai yêu cầu.

Dải rộng của phân tập theo đường truyền có thể được cung cấp nhờ đặc tính
duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên nhưng
hoạt động tốt hơn trong môi trường có EMI lớn.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song
song. Máy di động sử dụng ba bộ tương quan, BS sử dụng bốn bộ tương quan. Máy
thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét, nó xác định tín hiệu thu theo
mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất

Nguyễn Văn Chiến

19

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

hiện trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu. Vì
vậy tổng các tín hiệu có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thời trong tất cả
các tín hiệu thu được là rất thấp.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống
thông tin có hai BS sao cho có thể thực hiện được chuyển vùng mềm cho máy di
động.
1.3.2 Điều khiển công suất [7]
Ở các hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát
chung ở cùng một tần số, cùng một thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh với
nhau. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với người sử dụng
trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/No, trong đó Eb là năng
lượng bít còn No là mật độ tạp âm trắng Gauso bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy
đổi từ máy phát của người sử dụng khác. Để đảm bảo tỷ số Eb/No không đổi và lớn

hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất của máy phát của người sử dụng theo
khoảng cách của nó với trạm gốc. Nếu ở các hệ thống TDMA và FDMA việc điều
khiển công suất không ảnh hưởng đến dung lượng thì ở hệ thống CDMA việc điều
khiển công suất là yêu cầu bắt buộc và điều khiển công suất phải nhanh nếu không
dung dượng hệ thống sẽ giảm.
Dung lượng của hệ thống CDMA đạt giá trị cực đại nếu công suất phát của
máy di động được điều khiển sao cho ở trạm gốc công suất thu được là như nhau
đối với tất cả người sử dụng. Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để
tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng hệ
thống.
Đối với công suất đường xuống không cần điều khiển công suất ở hệ thống ô
đơn, vì nhiễu gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi với tín hiệu hữu
ích. Tất cả các tín hiệu đều được phát chung vì thế không xảy ra sự khác biệt tổn
hao truyền sóng như ở đường lên. Ngoài việc giảm hiện tượng gần xa điều khiển
công suất còn được sử dụng để làm giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất

Nguyễn Văn Chiến

20

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

phát trên mỗi người sử dụng, cần thiết để đảm bảo tỷ số lỗi bít ở mức cho trước ở
mức tối thiểu.
1.3.3 Dung lượng hệ thống
Dung lượng và chất lượng của hệ thống có liên quan chặt chẽ với nhau và bị
giới hạn bởi công suất nhiễu hiện có ở băng tần. Dung lượng là tổng số người sử

dụng đồng thời mà hệ thống có thể cho phép và chất lượng là điều kiện thu của một
đường vô tuyến được phân định cho người sử dụng nào đó. Chất lượng được thể
hiện qua xác suất lỗi bít hay tỷ lệ lỗi bít (BER). Dung lượng của một cell CDMA
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giải điều chế phía máy thu, độ chính xác của điều
khiển công suất và công suất nhiễu thực sự do những người dùng cùng trong một
cell hoặc các cell lân cận gây ảnh hưởng.
Trong thông tin số, người ta thường quan tâm chủ yếu đến tỷ số Eb/No là
năng lượng bít trên mật độ công suất tạp âm. Xác suất lỗi bít là hàm của Eb/No có
liên quan đến tỷ số S/N (SNR) thông qua việc xác định năng lượng bít so với công
suất tín hiệu được điều chế trung bình trong một chu kỳ bít.
Eb= ST

(1.1)

Với S là công suất tín hiệu điều chế trung bình và T là thời gian của một bít.
Với tốc độ bít là R chúng ta có thể thay T=1/R sẽ được:
Eb=S/R

(1.2)

Eb/No=S/(RNo)

(1.3)

Ta thay thế công suất tạp âm No= N/W với W là độ rộng băng thì ta có:
(1.4)
Chúng ta giả thiết hệ thống có điều khiển công suất hoàn hảo nghĩa là các
công suất mà các MS phát ra được điều khiển để có cùng giá trị thu được ở BS,
chúng ta sẽ có tỷ só SNR của một người dùng có thể được viết lại là:
(1.5)

Với M là tổng số người dùng hiện tại ở băng tần. Hình sau minh họa công
thức này, với trường hợp này (S/N)A1=1/6

Nguyễn Văn Chiến

21

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.9 Tổng công suất của hệ thống CDMA
Ta sẽ có:
(1.6)
Ta suy ra:
1

(1.7)

Với M lớn thì ta suy ra
(1.8)
1.3.3.1Hiệu ứng của tải
Phần trên ta nghiên cứu mô hình có M người sử dụng trong một cell CDMA.
Cell đơn này có anten phát xạ đẳng hướng và không có cell lân cận và các MS phát
100% thời gian. Trong thực tế có nhiều cell ở trong hệ thống CDMA như hình 1.10
cell A đang xét.

Nguyễn Văn Chiến

22

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.10 Nhiễu gây ra bởi các người dùng ở các cell lân cận
Mặc dù các người dung (User) đang ở các cell khác được điều khiên công
suất do các cell khác quản lý nhưng công suất này vẫn bị nhiễu đến cell A. Vì thế
Cell A chịu tải bởi các cell lân cận. Nhu vậy cần phải bổ sung vào công thức tính
dung lượng là:
η

(1.9)

Với η là hệ só tải có giá trị từ 0% đến 100%. Ví dụ ở hình 1.11 cho thấy hệ
số tải η=0,5 do đó sự gia tăng về nhiễu là 150% so với trường hợp không có User ở
các cell lân cận.

Nguyễn Văn Chiến

23

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội