Tính toán thiết kế và tối ưu hoá cho mạng di động CDMA2000

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

LÊ VIẾT HIẾU

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CHO MẠNG DI
ĐỘNG CDMA 2000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội – 2007


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác.
Học viên thực hiện

LÊ VIẾT HIẾU


2

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động đang phát triển với tốc độ chóng mặt trong những năm gần

đây. Tại Việt Nam hiện nay đã có tới 6 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di
động, trong đó có ba nhà cung cấp sử dụng công nghệ GSM và ba nhà cung
cấp sử dụng công nghệ CDMA.
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa vào triển khai ở
Việt nam từ 4 năm trước đây, bắt đầu là SFone, sau đấy đến EVN và HT
Mobile. Do đó, việc nghiên cứu kỹ về công nghệ CDMA là rất quan trọng,
đặc biệt là các bài toán về quy hoạch mạng vô tuyến và tối ưu hóa cho mạng
di động CDMA.
Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả không đi sâu vào trình bày về công
nghệ CDMA, mà muốn đưa ra các vấn đề có liên quan đến các tính toán về
dung lượng, vùng phủ sóng cũng như việc tối ưu hóa mạng CDMA. Nội dung
của luận văn sẽ được trình bày với các chương chính như sau:
Chương I: trình bày một số vấn đề cơ bản của truyền sóng vô tuyến, các mô
hình suy hao, công nghệ trải phổ trong CDMA và ứng dụng trong di động.
Chương II: trình bày các bài toán kỹ thuật liên quan tới việc quy hoạch và tối
ưu hóa mạng CDMA như tính toán dung lượng, vùng phủ sóng cho các cell,
các kỹ thuật điều khiển công suất, …
Chương III: trình bày về quy trình thiết kế cho mạng vô tuyến
Chương IV: trình bày một số vấn đề về tối ưu hoá mạng CDMA
Tôi xin được chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS. Nguyễn Đức
Thuận đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn vừa qua. Tôi
cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại công ty Nortel Việt nam
và công ty thông tin di động HT Mobile đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi về mặt
thực tế trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Hà nội, tháng 10 năm 2007


3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG ..................................................................7
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG
NGHỆ CDMA........................................................................................................8
1.1. CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SÓNG .......................................8
1.1.1 Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin ..........................8
1.1.2 Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng .............................9
1.1.2.1 Mô hình không gian tự do .............................................................9
1.1.2.2 Mô hình Lee ................................................................................10
1.1.2.3 Mô hình Hata...............................................................................11
1.1.3 Các hiệu ứng che khuất (shadowing) .................................................12
1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA.............................................14
1.2.1 Các phương pháp đa truy nhập...........................................................14
1.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA......................................15
1.2.2.1 Kỹ thuật mã hóa thoại trong hệ thống CDMA............................16
1.2.2.2 Kỹ thuật mã hóa kênh (Channel Encoding) ................................17
1.2.3 Lý thuyết về trải phổ và đa truy nhập theo mã...................................21
1.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp .................................................................21
1.2.3.2 Trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA của HT Mobile..........24
CHƯƠNG II - CÁC BÀI TOÁN TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG VÙNG PHỦ
SÓNG VÀ QUY HOẠCH CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA..............................29
2.1. TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CELL....................................................29
2.1.1 Dung lượng của cell khi có nhiễu từ MS ở trạm BTS khác ...............32
2.1.2 Hiệu quả của việc chia cell thành các sector (sector hóa)..................34
2.1.3 Hiệu quả của việc mã hóa thoại với tốc độ khác nhau.......................34
2.2. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG CDMA.........................36
2.2.1 Điều khiển công suất vòng hở cho hướng lên....................................38
2.2.2 Điều khiển công suất vòng kín cho hướng lên...................................39
2.2.3 Điều khiển công suất cho hướng xuống.............................................41

2.3. KỸ THUẬT THIẾT KẾ VÙNG PHỦ SÓNG CDMA ...........................41
2.3.1 Phân tích kênh đường xuống..............................................................42
2.3.1.1 Kênh pilot....................................................................................42
2.3.1.2 Tính toán cho kênh lưu lượng hướng xuống...............................45
2.3.2 Phân tích kênh đường lên ...................................................................47
2.3.2.1 Mô hình một cell một MS ...........................................................47
2.3.2.2 Mô hình một cell nhiều MS ........................................................48
2.3.2.3 Mô hình nhiều cell và nhiều MS .................................................48


4

2.4. QUY HOẠCH MÃ PN...........................................................................49
2.4.1 Quy hoạch chỉ số PN Offset và PILOT_INC.....................................50
2.4.2 Tính khoảng cách tối thiểu để tái sử dụng mã PN .............................53
2.5. TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CHO MẠNG DI ĐỘNG CDMA..........54
2.5.1 Mô hình Erlang-B...............................................................................56
2.5.2 Mô hình Erlang-C...............................................................................58
2.5.3 Nghẽn vô tuyến trong mạng di động CDMA.....................................59
2.6. CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG CDMA ...........................................60
2.6.1 Chuyển giao mềm...............................................................................60
2.6.2 Chuyển giao mềm hơn........................................................................61
2.6.3 Chuyển giao cứng...............................................................................62
CHƯƠNG III - THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN CHO MẠNG CDMA............63
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT KẾ VÔ TUYẾN .............................63
3.2. CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN .............................63
3.2.1 Giai đoạn thiết lập mục tiêu thiết kế ..................................................65
3.2.2 Giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu .............................................65
3.2.3 Giai đoạn thiết kế chi tiết ...................................................................66
3.3. CÁC MỤC TIÊU CHO THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN .....................67

3.4. THIẾT LẬP CÁC TIÊU CHUẨN CHO MẠNG RF .............................71
3.4.1 Dung lượng của sóng mang................................................................72
3.4.2 Vùng phủ sóng của một cell ...............................................................73
3.4.3 Tiêu chuẩn tỷ lệ vùng chuyển giao mềm............................................74
3.4.4 Quy hoạch mã PN...............................................................................77
3.4.5 Xác định kích thước cửa sổ tìm kiếm.................................................78
3.5. THIẾT KẾ CHI TIẾT DỰA TRÊN MÔI TRƯỜNG THỰC TẾ............81
3.6. THIẾT LẬP CÁC THAM SỐ HỆ THỐNG ...........................................81
CHƯƠNG IV - TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN..........................................83
4.1. CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TỐI ƯU HÓA MẠNG VÔ TUYẾN........83
4.2. QUY TRÌNH THỰC HIỆN VIỆC TỐI ƯU HÓA .................................85
4.2.1 Các mục tiêu cần đạt được khi tiến hành tối ưu hóa ..........................85
4.2.2 Phương pháp tiến hành tối ưu hoá......................................................85
4.2.3 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá...............................................86
4.2.4 Quy trình thực hiện tối ưu hoá ...........................................................89
4.2.5 Các tham số thống kê đánh giá chất lượng mạng ..............................91
4.2.6 Các biện pháp nâng cao các chỉ tiêu chất lượng ................................93
KẾT LUẬN ..........................................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................96
TÓM TẮT LUẬN VĂN – BẢN TIẾNG VIỆT...................................................97
THESIS SUMMARY – ENGLISH VERSION ...................................................98


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT
TỪ TIẾNG ANH
TẮT
ACI

Adjacent Channel Interference
ADC
Analog Digital Converter
Advanced Mobile Phone
AMPS
System
AUC
Authentication Center
BSC
Base Station Controller
BSS
Base Station Subsystem
BTS
Base Transceiver Station
C/I
Carrier to Interference Ratio
C/N
Carrier to Noise Ratio
Common Channel Signaling
CCS7
No7
CDMA
Code Division Multiple Access
CIC
Circuit Identity Code
CODEC
Code and DECode
ESN
Electronic Serial Number
FA

Frequency Assignment
Frequency Division Multiple
FDMA
Access
GMSC
Gateway MSC
GOS
Grade of Service
GPS
Global Positioning System
Global System for Mobile
GSM
Communication
HLR
Home Location Register
International Mobile
IMSI
Subscriber Identity
MS
Mobile Station
MSC

Mobile Switching Center

NGHĨA TIẾNG VIỆT
Nhiễu kênh kế
Chuyển đổi tương tự số
Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến
Trung tâm nhận thực

Bộ điều khiển trạm gốc
Phân hệ trạm gốc
Trạm thu phát gốc
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Hệ thống báo hiệu kênh chung
số 7
Đa truy nhập phân chia theo mã
Mã nhận thực mạch
Mã hóa và giải mã
Số sê ri điện tử
Gán tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
MSC cổng
Mức dịch vụ
Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
Bộ ghi vị trí thường trú
Số nhận dạng thuê bao di động
quốc tế
Máy thuê bao di động
Trung tâm chuyển mạch di
động


6

OMC

PLMN
PN
PSTN
QOS
RAN
TDMA
VLR

Operation and Maintenance
Center

Trung tâm vận hành và bảo
dưỡng

Mạng di động mặt đất công
cộng
Pseudo Noise
Nhiễu giả ngẫu nhiên
Public Switching Telephone
Mạng điện thoại chuyển mạch
Network
công cộng
Quanlity of Service
Chất lượng dịch vụ
Radio Access Network
Mạng truy cập vô tuyến
Đa truy nhập phân chia theo
Time Division Multiple Access
thời gian
Visitor Location Register

Bộ ghi vị trí khách
Public Land Mobile Network


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG
Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập ............................................................14
Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA.......................15
Hình 1.3 Ma trận ghép xen ..................................................................................20
Hình 1.4 Quy trình trải phổ..................................................................................22
Hình 1.5 Đồ thị trong miền thời gian và miền tần số củaquá trình trải phổ.......23
Hình 1.6 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh ........................................................23
Hình 1.7 Sơ đồ tạo mã PN dài dựa vào số ESN của máy di động .......................28
Hình 2.1 Ảnh hưởng công suất của các MS lên S/N của nhau ............................31
Hình 2.2 Ảnh hưởng nhiễu của các MS đang ở cell khác....................................32
Hình 2.3 Nhiễu do các MS thuộc các sector gây ra.............................................33
Hình 2.4 Ghép bit điều khiển công suất vào trong kênh lưu lượng.....................39
Hình 2.5 Minh họa các bít điều khiển công suất .................................................40
Hình 2.6 Quá trình tạo ra kênh Pilot ở các trạm BTS dựa vào PN Offset ..........50
Hình 2.7 MS không phân biệt được PN của trạm nào do trễ ..............................51
Hình 2.8 Minh họa trong miền thời gian việc MS không phân biệt được PN .....52
Hình 2.9 Minh hoạ trong miền thời gian khoảng cách tái sử dụng PN...............53
Hình 2.10 Phân bố lưu lượng theo giờ trong một ngày.......................................55
Hình 2.11 Số lượng các cuộc gọi thống kê theo giờ trong một ngày...................56
Hình 2.12 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang B ............................57
Hình 2.13 Quan hệ giữa tải với số lượng kênh theo Erlang C ............................58
Hình 2.14 Chuyển giao mềm giữa hai BTS..........................................................60
Hình 2.15 Chuyển giao mềm hơn giữa hai sector thuộc cùng một BTS ..............62
Hình 3.1 Các giai đoạn thiết kế mạng vô tuyến ...................................................64

Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa MOS và %FER ........................................................69
Hình 3.3 Mối quan hệ giữa cấp độ dịch vụ GoS và dung lượng .........................71
Hình 3.4 Sự thay đổi công suất phát của MS theo tham số T_ADD....................75
Hình 3.5 Quan hệ giữa vùng chuyển giao mềm và tham số T_ADD ...................76
Hình 3.6 Ảnh hưởng nhiễu từ một cell dùng PN khác .........................................77
Hình 3.7 Quan hệ giữa kích thước cửa sổ srch_win_n và vùng chuyển giao .....80
Hình 3.8 Kết quả tính toán và kết quả đo đạc trước và sau hiệu chỉnh...............81
Hình 4.1 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hoá ................................................86
Hình 4.2 Quy trình tối ưu hoá mạng vô tuyến .....................................................90
Bảng 3.1 Các đối tượng mục tiêu của việc thiết kế RF........................................70
Bảng 3.2 Các loại dịch vụ và số người dùng tối đa.............................................73
Bảng 3.3 Bán kính tối đa của cell trong các môi trường khác nhau ...................74
Bảng 4.1 Một số chỉ tiêu chất lượng mạng ..........................................................91


8

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN VÀ CÔNG NGHỆ
CDMA
1.1. CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SÓNG
1.1.1 Tham số đánh giá chất lượng của hệ thống thông tin

Trong bất kỳ một hệ thống truyền thông nào, thì một tham số đặc biệt quan
trọng là tỷ số tín hiệu trên nhiễu C/N (Carrier to Noise ratio) tại máy thu. Tỷ
số này cho ta biết công suất của tín hiệu so sánh với công suất của nhiễu trên
kênh truyền. Vì thế C/N có thể được xem như một tiêu chí để đánh giá chất
lượng của hệ thống truyền thông.
Tỷ số C/N được tính toán như sau:

C ( ERP)GR LP
=
N
N

(1.1)

Trong đó:
ERP (Effective Radiation Power) là công suất phát hiệu dụng đo ở máy
phát, ERP được tính như sau:
ERP = PtLcGt

(1.2)

Trong đó Pt là công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất của máy phát,
Lc là suy hao do cáp nối giữa bộ khuếch đại công suất và ăng ten phát. Gt là
độ tăng ích của ăn ten phát.
LP là suy hao truyền dẫn, GR là hệ số tăng ích của Anten thu, và N là công
suất hiệu dụng của nhiễu, thường do tạp âm nhiệt gây ra.
Trong môi trường thông tin di động, nơi mà nhiễu đặc biệt lớn do ngoài nhiễu
do tạp âm nhiệt còn có nhiễu do các kênh thông tin khác gây ra, thì tỷ số trên
chưa nói hết được chất lượng của kênh truyền. Do đó trong thông tin di động


9

người ta sử dụng tỷ số tín hiệu trên tạp âm C/I (Carrier to Interference ratio).
Trong đó thành phần I là tổng hợp của tạp âm nhiệt và nhiễu do các kênh
thông tin khác gây ra.
1.1.2 Suy hao đường truyền và các mô hình truyền sóng

Trong công thức về C/N ở trên, ta thấy rằng tham số Lp là suy hao do truyền
sóng và nó không phụ thuộc vào thiết kế, bởi vì suy hao qua môi trường
truyền sóng LP bao gồm tất cả các ảnh hưởng lên tín hiệu mà nó gặp phải trên
đường đi từ máy phát đến máy thu. Vì vậy người ta phải xây dựng các mô
hình nhằm dự đoán được các suy hao này. Có nhiều mô hình được sử dụng để
tính suy hao đường truyền, tất cả các mô hình đều sử dụng tham số khoảng
cách từ máy phát tới máy thu làm tham số chính để tính toán. Ngoài ra các
yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến tham số này như môi trường truyền sóng,
thời tiết, khí hậu.... Sau đây ta sẽ khảo sát ba mô hình hay được sử dụng trong
các hệ thống vô tuyến, đó là mô hình không gian tự do, mô hình Lee, và mô
hình Hata.
1.1.2.1 Mô hình không gian tự do
Trong mô hình không gian tự do, suy hao đường truyền tăng tỷ lệ thuận với
bình phương khoảng cách theo công thức sau:

4πλ2
LP = 2
d

(1.3)

Trong đó λ là bước sóng của tín hiệu, d là khoảng cách từ máy thu đến máy
phát. Công thức này được viết dưới dạng decibel như sau:
LP = -32,4 - 20log(f) - 20log(d)

(1.4)


10

d: khoảng cách tính bằng kilomet
f: tần số sóng mang (MHz)
LP: Suy hao đường truyền được tính bằng dB
Trong thực tế thì mô hình không gian tự do này thường được dùng trong
thông tin vệ tinh và thông tin hàng hải, nơi mà tín hiệu gần như được truyền
trong môi trường không gian tự do. Còn trong thông tin di động, cần áp dụng
các mô hình khác vì nó còn phụ thuộc vào vật cản và các yếu tố khác.
1.1.2.2 Mô hình Lee
Trong thông tin di động, môi trường truyền sóng khác xa so với môi trường
không gian tự do, vì trên mặt đất có rất nhiều các vật cản. Tín hiệu thu được
tại máy di động MS (Mobile Station) sẽ là tổng hợp của tín hiệu đến theo
đường thẳng và các tín hiệu phản xạ từ các vật cản khác nhau như các tòa nhà,
cây cối, đồi núi. Vì thế suy hao đường truyền trên mạng di động mặt đất lớn
hơn rất nhiều so với không gian tự do, và độ suy hao càng tăng lên nhanh hơn
khi khoảng cách giữa MS và trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station)
tăng lên so với trong môi trường không gian tự do. Sau đây là công thức đã
được đơn giản hóa của mô hình Lee trong vùng tần số hoạt động của mạng di
động:

L p = 1.14 × 10

−13

h2
d 3.84

(1.5)

Với d khoảng cách (km) giữa trạm BTS và máy cầm tay MS, h là chiều cao

(m) của anten trạm BTS. Vì số mũ của d trong mô hình này lớn hơn (3.84 so
với 2 của mô hình không gian tự do) nên suy hao theo khoảng cách giữa BTS
và MS sẽ tăng nhanh hơn, cũng trong công thức này độ cao của anten BTS
tăng lên sẽ làm cho suy hao giảm đi rất nhiều. Công thức trên có thể viết dưới
dạng decibel như sau:


11

LP= - 129,45 – 38,4 log(d) + 20 log(h)

(1.6)

Trong đó d tính bằng (km) và h (m).
Mô hình Lee dạng tổng quát phức tạp hơn rất nhiều so với mô hình đơn giản
hóa ở đây và có các hằng số khác nhau được dùng để tính cho các trường hợp
truyền dẫn khác nhau.
1.1.2.3 Mô hình Hata
Sau đây ta sẽ trình bày mô hình Hata để minh họa mô hình suy hao phức tạp
hơn, trong đó suy hao đường truyền không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách
giữa máy phát và máy thu, mà còn phụ thuộc vào các tham số như tần số sóng
mang, độ rộng băng tần, độ cao của anten thu phát và mật độ của các công
trình xây dựng. Mô hình Hata được xây dựng trên cơ sở hàng loạt các đo đạc
thực nghiệm trong môi trường đô thị. Mô hình tổng quát của Hata dưới dạng
decibel được viết như sau:
LP = - K1 – K2 log (f) + 13,82 log(hb) + a(hm) –
- [44,9 – 6,55log(hb)]log(d)-K0

(1.7)

Với f là tần số sóng mang (MHz), hb là độ cao của anten BTS (m), hm là độ
cao của anten máy thu (m), và d là khoảng cách từ trạm BTS đến MS (km).
Trong công thức trên, thông thường hb có giá trị từ 30m đến 200m, hm có giá
trị từ 1m đến 10m, d có giá trị từ 1km đến 20km.
Thành phần a(hm) và K0 được dùng cho các môi trường đô thị hoặc vùng đô
thị có mật độ dân số cao.
Ở vùng đô thị:

a (hm ) = [1.1log(f) - 0,7 ]hm − [1.56 log( f ) − 0.8]
K0=0 dB

(1.8)


12

Ở vùng đô thị có mật độ dân số cao:
a(hm ) = 3.2[log(11.75hm )] − 4.97
2

(1.9)

K0 =3 dB
Các thành phần K1 và K2 đặc trưng cho vùng tần số sóng mang:
K1 = 69.55 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz
K1 = 46.3 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz
K2 = 26.16 với 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz
K2 = 33.9 với 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz
1.1.3 Các hiệu ứng che khuất (shadowing)

- Fading chậm: khi máy thu dịch chuyển ra xa dần BTS, công suất nó nhận
được từ BTS sẽ giảm dần một cách từ từ. Tuy nhiên, trong quá trình di
chuyển các vật cản (như cây cối, nhà cửa, xe cộ…) sẽ cắt ngang đường truyền
sóng, có thể làm máy thu không nhận được công suất đến trực tiếp từ BTS
đồng thời cũng không nhận được tín hiệu phản xạ. Điều này sẽ gây ra tình
trạng rớt công suất ở máy thu. Sự suy giảm này xảy ra ở nhiều bước sóng trên
dải sóng mang và vì vậy được gọi là fading chậm. Fading chậm thường được
mô hình bằng phân bố “logarit thường” với công suất trung bình và độ lệch
chuẩn (tức là phân bố xác suất của sự thay đổi công suất được phân bố theo
10ξ/10, với ξ là một biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian với giá trị trung bình m
và độ lệch chuẩn σ). Trong môi trường thông tin di động mặt đất, độ lệch
chuẩn thường khoảng 8dB.
- Fading nhanh: khi MS di chuyển ra khỏi tầm nhìn của BTS, khi đó hoàn
toàn không còn tín hiệu nào đến MS trực tiếp từ BTS, tất cả các tín hiệu thu
được trên MS đều được tạo thành từ các tia sóng phản xạ từ các vật cản xung
quanh, và trong các tín hiệu thu được nhờ phản xạ đó không có tín hiệu nào


13

có công suất vượt trội. Các tia phản xạ khác nhau đến MS trong các khoảng
thời gian khác nhau, khác nhau về biên độ, khác nhau về pha. Người ta đã
chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm rằng đường bao của tín hiệu sóng
mang nhận được ở MS được phân bố theo Rayleigh, vì thế fading này được
gọi là fading Rayleigh. Gọi N là số đường tín hiệu đến MS thì tín hiệu thu
được ở MS sẽ được tính bằng công thức:
N

r (t ) = ∑ Rn cos (2πft − 2πf D ,n t )
n =1

(1.10)

Trong đó Rn và f là tần số và biên độ của tín hiệu trên mỗi đường, fD,n là dịch
chuyển tần số của các tín hiệu phản xạ do tác động của hiệu ứng Doppler khi
MS di chuyển. Nếu các tín hiệu tới MS trên các đường truyền song song với
phương di chuyển của MS thì dịch chuyển tần số Doppler được tính bằng:

f D ,n =

v

λ

(1.11)

Với v là tốc độ di chuyển của MS.
Ta phân tích tín hiệu thu thành hai thành phần đồng pha và dịch pha 90o như
sau:

r (t ) = R I (t ) cos( 2πft ) + RQ (t ) sin( 2πft )

(1.12)

Thành phần đồng pha được tính bằng:
N

R I (t ) = ∑ Rn cos 2πf D ,n t
n =1

(1.13)

Thành phần dịch pha 90o:
N

RQ (t ) = ∑ Rn sin 2πf D ,n t
n =1

(1.14)


14

1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA
Ở Việt Nam, công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được đưa
vào triển khai được 4 năm, cả 3 nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công
nghệ CDMA là SFone, EVN và HT Mobile đều sử dụng chuẩn CDMA2000
1x EVDO. Vì vậy chúng ta sẽ đi vào xem xét một cách tổng quát các đặc
điểm của công nghệ CDMA, sau đó ta sẽ đưa ra các bài toán về quy hoạch và
tối ưu hóa mạng thông tin di động CDMA ở chương sau.
1.2.1 Các phương pháp đa truy nhập

Có ba phương pháp đa truy nhập chính được sử dụng trong công nghệ di động,
đó là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo
thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
FDMA

Pow
er
TDMA

Frequency
Time
Pow
er

Frequency
Time

CDMA

Pow
er

Frequency
Time

Hình 1.1 Các phương pháp đa truy nhập


15

FDMA: Frequency Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo tần
số, mỗi người dùng được gán cho mỗi tần số khác nhau trong một băng tần
xác định. Mạng di động AMPS (Advance Mobile Phone System) sử dụng
phương pháp đa truy cập này
TDMA: Time Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo thời
gian, mỗi người dùng được gán cho một tần số và khe thời gian khác nhau.
Mạng di động GSM sử dụng phương pháp đa truy cập này.
CDMA: Code Division Multiple Access, đa truy nhập phân chia theo mã, mỗi
người dùng được gán cho một mã khác nhau trong một băng tần xác định.

Mạng di động CDMA sử dụng công nghệ này.
Hình 1.1 minh họa các phương pháp đa truy nhập trên.
1.2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA

Hình vẽ 1.2 sau đây minh họa một hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải
phổ và đa truy nhập theo mã (CDMA).
Wave Form

Bit Stream

□

Voice
Encoding

Channel
Encoding

Interleaving

Spread
Spectrum

Digital
Modulation

Multiple
Access

Transmitter

Output

< Sơ đồ khối cho đường lên (Reverse Link) >

Wave Form

Bit Stream

□

Voice
Decoding

Channel
Decoding

DeInterleaving

De-Spread
Spectrum

Digital
Demodulation

Multiple
Access

Receiver
Input

< Sơ đồ khối cho đường xuống (Forward Link) >

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động CDMA
Phía phát: Tín hiệu thoại được mã hóa thoại -> mã hóa kênh -> ghép xen ->
trải phổ -> Điều chế số -> Ghép kênh -> ra anten phát.


16

Phía thu: Anten thu tín hiệu -> Tách kênh -> Giải điều chế -> Giải trải phổ > Giải ghép xen -> Giải mã kênh -> Giải mã thoại.
1.2.2.1 Kỹ thuật mã hóa thoại trong hệ thống CDMA (Voice Encoding)
Trong các hệ thống thông tin di động, việc mã hóa tín hiệu thoại là rất quan
trọng sao cho vừa đảm bảo được chất lượng âm thoại vừa đảm bảo được tốc
độ bit giới hạn nhằm tiết kiệm dung lượng cho hệ thống.
Các tín hiệu thoại thông thường sẽ được biến đổi sang dạng số sử dụng các kỹ
thuật nén đặc thù để đảm bảo chất lượng thoại cũng như băng thông giới hạn.
Các kỹ thuật nén hay được dùng là QCELP (Quanlcomm Code Excited
Linear Prediction) và EVRC (Enhanced Variable Rate Code) với các tốc độ
bit đầu ra là 8 Kbps hoặc 13 Kbps.
Đặc điểm của các kỹ thuật nén này là hệ số nén có thể điều khiển được, làm
thay đổi tốc độ bit. Khi đang đàm thoại thì tốc độ bit sẽ cao nhất và giảm dần
khi không có đàm thoại.
Tốc độ bit thông tin được thay đổi linh hoạt theo tiến trình của cuộc đàm thoại.
Tốc độ có thể thay đổi theo tỷ lệ 1 –1/2- 1/4 – 1/8 (8,6kbit/s – 4,2kbit/s – 2
kbit/s- 0.8kbit/s Với 8K QCELP, EVRC hay 13.35kbit/s – 6.25 kbit/s –
2.75kbit/s – 1.05 kbit/s với 13K QCELP).
Trong các khung CDMA, ta có thể ghép đồng thời các tín hiệu thoại, báo hiệu
và dữ liệu của người sử dụng.
Khung cơ sở của CDMA là 20 ms trùng với thời gian của khung thu phát ở
phần vô tuyến theo tiêu chuẩn CDMA IS– 95 hay IS – 2000. Đối với IS – 95

chiều dài khung lên tới 80ms khi phát ở tốc độ cao và 5ms khi chỉ phát các
thông tin điều khiển ngắn.
Các bộ Vocoder 8kbps có ưu điểm là tiết kiệm được dung lượng cho hệ thống,
tuy nhiên nhược điểm của nó là cho chất lượng âm thanh kém hơn so với loại


17

13kbps. Hầu hết các máy điện thoại CDMA đều cho phép người dùng được
chọn lựa sử dụng tốc độ 8kbps hay 13kbps. Tốc độ mặc định của nhà sản xuất
trong các máy điện thoại CDMA là 8kbps.
1.2.2.2 Kỹ thuật mã hóa kênh (Channel Encoding)
Sau khi tín hiệu thoại được đưa vào các bộ Vocoder để mã hóa thoại, chúng
được đưa vào các bộ mã hóa kênh để đạt được các hiệu quả trong việc chống
lỗi bit cũng như có khả năng sửa lỗi bit.
Có hai thông số quan trọng mà nhà thiết kế có là: thông số tín hiệu được phát
và độ rộng băng thông của kênh truyền dẫn. Hai thông số này cùng với mật độ
phổ công suất của tạp âm thu xác định tỉ số giữa năng lượng của một bit thông
tín và mật độ công suất tạp âm Eb/N0 (Energy per information bit to Noise
power density ratio). Tỉ số Eb/N0 xác định giá trị lỗi bit BER đối với một sơ
đồ điều chế cho trước. Trong thực tế thiết kế ta thường phải đặt ra một giới
hạn giá trị mà chúng ta có thể phân bố cho Eb/N0. Tuỳ theo từng trường hợp
trong thực tế mà chúng ta phải sử dụng một sơ đồ điều chế nào đó mà với sơ
đồ này có thể không thể đảm bảo được chất lượng số liệu. Đối với một tỉ số
Eb/N0 xác định, cách tốt nhất để đạt được một chất lượng số liệu qui định là sử
dụng mã hoá kênh. Một lý do khác dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng mã
hoá kênh là là nhằm giảm tỉ số Eb/N0 yêu cầu đối với tỉ số lỗi bít BER cố định.
Độ giảm tỉ số Eb/N0 yêu cầu đối với tỉ số lỗi bit BER cố định được gọi là độ
tăng ích mã hoá. Nhờ việc giảm này mà chúng ta có thể giảm công suất phát
hay giảm giá thành của phần cứng, như dùng anten kích thước nhỏ hơn. Kiểm

soát lỗi để đảm bảo sự toàn vẹn của số liệu có thể được thực hiện bằng hiệu
chỉnh lỗi trước FEC.
Trong CDMA các bit thông tin được bảo vệ chống lại các nhiễu tác động trên
đường truyền đến các thiết bị thu nhờ áp dụng kĩ thuật mã hoá kênh (channel


18

encoding) cho phép chuyển đổi chúng thành một dạng biểu hiện đặc thù khác
(mang đặc điểm chống nhiễu và khắc phục lỗi) trước khi truyền dẫn. Có ba
dạng mã hóa kiểm soát thường được sử dụng trong thông tin di động, đó là
mã hóa khối tuyến tính (hay mã vòng), mã xoắn và mã Turbo. Mã vòng là
phương pháp thực hiện phép ánh xạ từ khối thông tin đầu vào thành các khối
thông tin khác. Mã vòng được sử dụng để phát hiện lỗi. Mã hóa xoắn và mã
Turbo có tác dụng sửa lỗi. Mã hoá xoắn thực hiện mã hoá trực tiếp tín hiệu
đầu vào. Đối với loại mã hoá xoắn thì đòi hỏi một cấu trúc rất phức tạp ở phía
thu tuy nhiên nó lại đảm bảo chất lượng tốt và đang được sử dụng rộng rãi.
Hiện nay có rất nhiều kĩ thuật mã hoá kênh như thế này. Bên cạnh đó người ta
cũng sử dụng kĩ thuật mã hoá TURBO (mã này rất có hiệu quả khi thao tác
với các khung số liệu tốc độ cao). Chúng được sử dụng cho thoại và số liệu
trong kĩ thuật truyền thông di động CDMA. Tuy nhiên người ta cũng sử dụng
thêm một loại mã sửa lỗi nữa ngoài việc sử dụng mã hoá kênh để giám sát
chất lượng của đường truyền trong mỗi khoảng 20ms ở giao diện vô tuyến.
a) Mã hóa vòng
Mã vòng cho phép kiểm tra vòng dư CRC (Cyclic Redundance Check) để chỉ
thị chất lượng khung ở các khung bản tin, mã vòng là một tập con của mã hóa
khối tuyến tính. Bộ mã hóa sẽ được đặc trưng bởi một đa thức tạo mã. Cứ k
bit vào bộ tạo mã sẽ tạo ra một từ mã n bit, trong đó n-k bit là các bit kiểm tra
CRC. Bộ mã này được gọi là có tỷ lệ mã r=k/n, đây là số đo để đánh giá
lượng dư được bổ sung vào. Tại phía thu cũng sẽ tính toán các bit kiểm tra

CRC như vậy, nếu thấy có sai khác thì phía thu sẽ hiểu rằng khung này bị lỗi.
Mã hóa vòng chỉ phụ thuộc vào k bit của bản tin đầu vào.
b) Mã hoá xoắn
Khác với mã vòng, mã hóa xoắn tạo ra một khối n bit không chỉ phụ thuộc
vào k bit của bản tin đầu vào mà còn phụ thuộc vào các bản tin của các khối


19

trước đó. Mã xoắn được xác định bởi ba số nguyên n, k và K. Tỷ lệ mã được
xác định là r=k/n. Số nguyên K được gọi là độ dài hạn chế, nó thể hiện số lần
dịch của một nhóm k bit bản tin mà trong đó nhóm k bit này vẫn còn gây ảnh
hưởng đến đầu ra của bộ lặp mã. Một đặc tính quan trọng của các mã xoắn so
với mã khối là bộ lặp mã của chúng có các bộ nhớ, nên quá trình tạo ra n phần
tử đầu ra của các bộ lặp mã không chỉ phụ thuộc vào k bit đầu vào, mà còn
phụ thuộc vào (K – 1) tập hợp k bít đầu vào trước đó. Bộ lặp mã được hình
thành từ những thanh ghi dịch và bộ cộng. Thông thường các bộ lặp mã xoắn
hay được sử dụng với k = 1, tỉ lệ mã là 1/n và số K bằng số tầng trong thanh
ghi dịch của bộ lặp mã xoắn.
Mã hoá xoắn với hệ số R = 1/2 hay 1/4 được sử dụng cho kênh hướng xuống.
Trong khi đó R = 1/2 được sử dụng cho các kênh có tốc độ thấp. Tuy nhiên,
để bù lại cho những hạn chế của kênh hướng lên trên giao diện vô tuyến
người ta chủ yếu sử dụng hệ số R = 1/3 hay 1/4.
c) Ghép xen (Interleaving)
Một đặc điểm cơ bản của giao diện vô tuyến là thường xuất hiện xuất hiện các
lỗi chùm (Burst Errors), ví dụ như hiện tượng fast fading (fading nhanh). Các
lỗi này làm mất đi một đoạn liên tục các dòng bit và vì vậy cho dù chúng ta có
sử dụng các phương pháp chống và khắc phục lỗi hiệu quả như thế nào chăng
nữa thì cũng rất khó khôi phục được như cũ. Để hạn chế các lỗi trùm này
người ta sử dụng việc ghép xen. Mục đích của việc ghép xen là làm ngẫu

nhiên hóa các bit trong bản tin cần truyền sao cho khi có lỗi chùm xảy ra thì
sẽ rơi vào các bit ngẫu nhiên, không liên tục. Qua đó ta có thể dùng các kỹ
thuật khắc phục lỗi để khôi phục lại được. Thay vì để dòng bit đi vào theo
tuần tự, người ta đưa dòng bit vào theo một ma trận các hàng và cột, trong đó
bit vào theo từng hàng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới, còn bit ra theo
từng cột từ trên xuống dưới từ trái qua phải. Thông thường là một ma trận


20

24x16. Như vậy khi có hiện tượng lỗi chùm xảy ra, một loạt các bit sẽ bị sai
nhưng các bit này lại được chia đều cho các thời điểm khác nhau mà không
phải là các bit liên tục, mỗi thời điểm chỉ sai một bit, vì vậy áp dụng các biện
pháp sửa lỗi ta có thể khôi phục lại các bít này.
Sau đây là một ví dụ của việc ghép xen và khả năng chống lỗi khi có hiện
tượng lỗi chùm.
Giả sử bản tin ta cần gửi đi là:
ARE YOU SURE THAT THEY ARE COMING TO LUNCH WITH US
Bản tin gửi đi với lỗi chùm sảy ra sẽ trở thành:
ARE YOU SUxx xxAT THEY ARx xxxING TO LUNCH WITH US
Nếu ta đưa vào ma trận ghép xen:
Ma trận ghép xen:
AREYOUSURE
THATTHEYAR
ECOMINGTOL
U N C H WI T H U S
Hình 1.3 Ma trận ghép xen
Bản tin đầu ra sau khi ghép xen có lỗi trùm xuất hiện:
ATEU RHCN EAOC YTMH OTIW UHNI SEGT UYTH RAOU ERLS
Trở thành:

ATEU RHCN xxxx YTMH OTIW xxxx SEGT UYTH RAOU ERLS
Tại đầu ra, ta qua giải mã bản tin, ta thu được:
ARx YOx SURE THxT TxEY ARE CxMIxG TO LUNxH WxTH US
Như vậy các bit sai đã được chia đều cho các thời điểm khác nhau và mỗi thời
điểm chỉ sai một bit. Nếu dùng các biện pháp sửa sai ta có thể khôi phục lại
được các bit sai này.


21

1.2.3 Lý thuyết về trải phổ và đa truy nhập theo mã

Theo hình vẽ minh họa (1.1) các công nghệ đa truy nhập FDMA, TDMA và
CDMA ở trên, các công nghệ FDMA và TDMA đều cố gắng thu hẹp băng
thông của tín hiệu nhằm nâng cao hiệu suất cho tài nguyên băng thông của
mạng. Trong khi đó, với công nghệ CDMA thì tất cả các người dùng đều
được sử dụng chung toàn bộ băng tần (kênh vô tuyến) để thực hiện cuộc gọi.
Các người dùng này được phân biệt với nhau nhờ vào một mã đặc trưng duy
nhất cho mỗi người.
Công nghệ CDMA sử dụng toàn bộ băng tần bằng cách nhân tín hiệu cần
được truyền đi (có tốc độ bit rất thấp) với một chuỗi dữ liệu có tốc độ rất cao
(gọi là tốc độ chip). Chuỗi dữ liệu có tốc độ cao này sẽ chiếm một băng thông
lớn hơn rất nhiều băng thông cần thiết để tải tín hiệu mong muốn, nhờ vậy
mỗi bít thông tin sẽ được tải đi bởi nhiều CHIP và băng thông của tín hiệu sẽ
phụ thuộc vào băng thông của chuỗi CHIP, điều này đồng nhất với việc thông
tin của người sử dụng sẽ được trải rộng trên trục tần số và do đó mật độ phổ
năng lượng được dàn đều trong một dải rộng tần số, đó cũng chính là lí do
làm tăng khẳ năng chống nhiễu của hệ CDMA. Ở phía thu sử dụng một trật tự
đồng nhất duy nhất ứng với từng người sử dụng để thu nhận lại được thông
tin bởi sử dụng các mã WALSH, PN code. Có rất nhiều kiểu trải phổ đã được

đề xuất và được ứng dụng trên thị trường. Tuy nhiên công nghệ CDMA
thường sử dụng phương pháp trải phổ trực tiếp
1.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp
Đã có rất nhiều các tài liệu và giáo trình viễn thông đã trình bày kĩ về phương
pháp trải phổ trực tiếp DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrums). Do đó,
trong phần này chúng ta chỉ xem xét vài nét cơ bản của DS-SS. Để thực hiện
việc trải phổ, bên phát sẽ nhân trực tiếp tín hiệu thông tin của mình với chuỗi


22

các bit PN có trật tự nhất định, chuỗi các bit này được thiết kế sao cho trông
giống như tạp âm ngẫu nhiên (PN Pseudo Noise). Tốc độ bit của PN này cao
hơn nhiều so với tốc độ bit thông tin và được gọi là tốc độ chip để phân biệt
với tốc độ thông tin là tốc độ bit. Các chuỗi như thế này có thể là chuỗi
WALSH, mã PN ngắn và dài. Điểm khác biệt giữa các thành phần trong cùng
một loại mã với nhau đó là về pha của chúng hay độ dịch một cách tuần hoàn
của các trật tự CHIP này ta sẽ thu được các chuỗi PN có độ dịch khác nhau về
trật tự CHIP. Tuy nhiên việc sai khác giữa các trật tự này phụ thuộc lớn cả
vào yếu tố thời gian (yếu tố này được xác định là khoảng cách tương đối giữa
trạm gốc và thiết bị di động), chính vì vậy cần có quy hoạch và tính toán rất
cụ thể để xác định số CHIP dịch sai khác giữa các thành phần trong cùng một
mã. (Đây là vấn đề liên quan tới qui hoạch và vùng phủ sóng trong mạng
CDMA). Nếu không quy hoạch tốt có thể dẫn tới hiện tượng nhận nhầm mã
PN gây rớt cuộc gọi.
Phía thu sẽ chập chuỗi thông tin này với một chuỗi giống hệt như vậy để giải
mã ra các bít thông tin. Hình 1.4 dưới đây minh họa quá trình trải phổ bằng
cách nhân tín hiệu vào với một chuỗi PN có tốc độ chip 1.2288 Mcps.

Mixer

9.6 Kbps Source data

1.2288 Mcps Spread Signal
applied to transmitter
(Mcps=Mega Chips per second)

1.2288 Mcps PN sequence

Hình 1.4 Quy trình trải phổ


23

Time Domain
d(t)

Frequency Domain
D(f)

Data

Data

t
f
c(t

C(f

Spreading

Spreading

t
f
s(t

S(f

Transmitted

Transmitted

t
f

Hình 1.5 Đồ thị trong miền thời gian và miền tần số củaquá trình trải phổ
Để thu được các tín hiệu trải phổ ở đầu ra, các bit của tín hiệu đầu vào sẽ
được XOR với tất cả các bit của chuỗi PN như hình1.6 sau:

0110100110010110011

Sender
Cel

1001

1001

Mobil

10011001100110011001
Mã PN

User Input

Receiver

1

10011001100110011001
Mã PN

0

0

1

1

Spreading
Sequence

1001 1001 1001 1001 1001

Tx Data

0110 1001 1001 0110 0110

Hình 1.6 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh


24

1.2.3.2 Trải phổ trực tiếp trong hệ thống CDMA của HT Mobile
Hệ thống thông tin di động CDMA2000 đang được triển khai bởi công ty HT
Mobile, sử dụng thiết bị của Nortel dùng 3 trật tự trải phổ khác nhau để tạo ra
các kênh hướng lên và hướng xuống (Walsh code, mã PN ngắn, và mã PN
dài).
a) Mã Walsh
Đặc điểm của mã này là gồm 64 mã trực giao với nhau (Tương quan giữa các
mã này bằng 0), mỗi mã gồm có 64 bít, một đặc điểm thuận lợi nữa của mã
này là dễ dàng tạo ra và đòi hỏi ít bộ nhớ trong RAM.
Nguyên tắc để một tập các chuỗi mã trực giao với nhau như sau:
Hai chuỗi số gọi là trực giao nhau khi và chỉ khi kết quả của phép OR giữa
chúng tạo ra một dãy số mới có số các số 0 bằng số các số 1. Tức là nếu ký
hiệu số 0 là -1 và số 1 là +1, thì kết quả của tổng các phép OR của chúng sẽ
bằng 0.
Tất cả các chuỗi mã trong tập mã trực giao phải có số lượng các số 1 và số 0
như nhau, và chỉ khác nhau về vị trí của chúng.
Tập các mã trực giao, hay ma trận trực giao được tạo ra từ ma trận cấp thấp
hơn của nó như sau:

H 2N

⎡H N
=⎢
⎣H N

HN ⎤
H N ⎥⎦

(1.15)

Trong đó H N là ma trận nghịch đảo của ma trận HN
Ma trận cơ bản để tạo ra mã WALSH là:

⎡0 0 ⎤
H2 = ⎢
⎥
0
1
⎣
⎦

(1.16)