Các phương pháp tối ưu hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới giải pháp công nghệ và ứng dụng thực tế

..

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------

Hà Đức Hùng

Các phơng pháp tối u hóa hệ thống
thông tin di động thế hệ mới: GiảI pháp
công nghệ và ứng dụng thực tế

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử

ngời hớng dẫn khoa học:
TS. Nguyễn Viết Nguyên

Hà Nội - 2009


1

MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 6
CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................................................................. 8
LỜI NĨI ĐẦU ......................................................................................................... 11
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA ............................................ 13

CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN
DI ĐỘNG.............................................................................................................. 13
1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA................................................13
1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA...........................................14
1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ....................................................14
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA .................... 16
2.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin trải phổ ...................................................16
2.2 Kỹ thuật trải phổ trong CDMA ..................................................................20
2.3 Các hệ thống thông tin trải phổ ..................................................................28
PHẦN II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI
ĐỘNG WCDMA ..................................................................................................... 43
2.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 43
2.2. Vấn đề mở rộng vùng phủ dịch vụ................................................................. 44
2.2.1. Hạn chế vùng phủ cả đường lên và đường xuống ..................................45
2.2.2. Phân tích quỹ đường truyền....................................................................46
2.3. Vấn đề cải thiện dung lượng .......................................................................... 48
2.3.1. Hiện tượng dung lượng bị hạn chế .........................................................49
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu, tính tốn dung lượng hệ thống .....................50
2.3.3. Nhận dạng đường truyền giới hạn ..........................................................52
2.4. Vai trò của tải tế bảo ở đường lên và công suất phát trạm gốc trong việc cải
thiện dung lượng và vùng phủ .............................................................................. 54
2.4.1. Tác động của tải tế bào ở đường lên.......................................................54
2.4.2. Tác động của công suất trạm gốc ...........................................................56
2.5. Phương pháp dùng sóng mang phụ và mã trộn để tăng dung lng v m
rng vựng ph ....................................................................................................... 58

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


2

2.5.1. Tác động của các sóng mang phụ...........................................................58
2.5.2. Tác động của các mã trộn.......................................................................61
2.6. Kỹ thuật cải thiện vùng phủ dịch vụ dùng bộ khuếch đại đỉnh cột và anten
tích cực.................................................................................................................. 63
2.6.1. Cơ sở toán học ........................................................................................64
2.6.2. Tác động của khuyếch đại đỉnh cột và anten tích cực lên dung lượng và
vùng phủ ...........................................................................................................66
2.6.3. Áp dụng thực tế ......................................................................................67
2.7. Kỹ thuật sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa .................................................. 68
2.7.1. Cơ sở toán học ........................................................................................69
2.7.2. Tác động của khuếch đại đỉnh RF từ xa lên dung lượng và vùng phủ...69
2.8. Kỹ thuật sử dụng phân tập thu mức cao ........................................................ 71
2.8.1. Tác động của phân tập thu mức cao lên dung lượng và vùng phủ .........72
2.8.2. Áp dụng thực tế ......................................................................................74
2.9. Kỹ thuật sử dụng phân tập hướng phát .......................................................... 76
2.9.1 Cơ sở tính tốn.........................................................................................76
2.9.2. Tác động của kỹ thuật phân tập hướng phát lên dung lượng và vùng phủ ... 79
2.10. Kỹ thuật sử dụng anten thay đổi búp sóng................................................... 82
2.10.1. Cơ sở tốn học ......................................................................................82
2.10.2. Hiệu quả của kỹ thuật anten chỉnh búp sóng........................................84
2.11. Giải pháp sử dụng cấu hình chia sẽ tối ưu ................................................... 87
2.12.1. Nguyên lý .............................................................................................92
2.12.2. Tác động của việc Sector hóa lên dung lượng và vùng phủ.................93
2.12.3. Áp dụng thực tế ....................................................................................95
2.13. Giải pháp dùng các bộ lặp............................................................................ 96
2.13.1. Tác động của bộ lặp lên dung lượng và vùng phủ ...............................98
2.13.2 Áp dụng thực tế ...................................................................................101
2.14 Giải pháp triển khai tế bào micro................................................................ 101
2.14.1. Triển khai các tế bào micro ................................................................101

2.14.2. Tác động của triển khai các tế bào micro lên dung lượng và vùng phủ.... 105
2.15. Phân tích, đánh giá các kỹ thuật cải thiện dung lượng và vùng phủ ......... 106

LuËn văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ míi


3

PHẦN III. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG ỨNG DỤNG TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA ........................................... 111
3.1 Kỹ thuật OFDM ........................................................................................... 111
3.1.1 Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM................................112
3.1.2 Từ điều chế đa sóng mang FDM đến OFDM........................................113
3.1.3 Lý thuyết về điều chế OFDM................................................................114
3.1.4 Lý thuyết về giải điều chế OFDM.........................................................120
3.2 Kỹ thuật MC–CDMA và MC-DS-CDMA.................................................... 125
3.2.1 Giới thiệu MC-CDMA ..........................................................................125
3.2.2 Nguyên lý MC-CDMA và MC-DS-CDMA..........................................127
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 131

LuËn văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ míi


4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.1: So sánh ưu nhược điểm 3 mơ hình đa truy nhập FDMA, TDMA và
CDMA....................................................................................................................... 16
Bảng 1.2.1: Trạng thái các thanh ghi dịch của bộ tạo dãy mã giả ngẫu nhiên.......... 22

Bảng 2.1: Một ví dụ quỹ đường truyền cho số liệu không đối xứng ........................ 46
Bảng 2.2: Ví dụ quỹ đường truyền đường lên minh họa ảnh hưởng của tốc độ số
liệu dịch vụ ................................................................................................................ 47
Bảng 2.3: Tóm tắt các đặc điểm của các trường hợp hạn chế dung lượng ............... 50
Bảng 2.4: Sự thay đổi về thông lượng của các tế bảo ở đường lên theo dạng dịch vụ ....51
Bảng 2.5: So sánh tải các tế bào ở đường lên và đường xuống ................................ 52
Bảng 2.6: Quỹ đường truyền đường xuống được sử dụng để tính tốn u cầu cơng
suất phát trạm gốc ..................................................................................................... 53
Bảng 2.7: Tác động của việc tăng mức tải tế bào ở đường lên................................. 56
Bảng 2.8: Một số cấu hình cơng suất phát trạm gốc điển hình................................. 56
Bảng 2.9: Các thơng số dung lượng điển hình cho một tế bào bị hạn chế dung lượng
đường xuống với cấu hình cơng suất phát và sóng mang khác nhau........................ 60
Bảng 2.10: Dung lượng vơ tuyến trong trường hợp tế bào micro có và khơng có
phân tập đường truyền, dựa trên suy hao truyền lan cho phép là 144,7 dB (quỹ
đường truyền cho đường lên 64 kbit/s với 70% tải) ................................................. 62
Bảng 2.11: Giới hạn kênh lưu lượng của một cây mã hóa OVSF đơna ................... 63
Bảng 2.12: Tham số cơ bản thiết lập cho phân hệ thu MHA.................................... 65
Bảng 2.13: Độ lợi thu được từ việc sử dụng MHA là hàm số của suy hao phi đơ ... 66
Bảng 2.14: Suy giảm dung lượng khi sử dụng MHA cho hệ thống bị hạn chế dung
lượng đường xuống ................................................................................................... 67
Bảng 2.15: So sánh các bộ lặp và các bộ khuếch đại RF từ xa................................. 69
Bảng 2.16: Đánh giá độ lợi dung lượng khi sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa ...... 70
Bảng 2.17: Sự giảm yêu cầu Eb/N0 tiếng liên quan đến phân tập thu mức cao so với
phân tập thu 02 nhánh ............................................................................................... 72
Bảng 2.18: So sánh dung lượng đường lên giữa một tế bào phân tập thu mức cao 04
nhánh và một tế bào phân tập thu 02 nhánh (giới hạn tải đường lên là 30%) .......... 73
Bảng 2.19: So sánh suy hao dung lượng đường xuống ứng với việc sử dụng MHA
và phân tập thu 04 nhánh .......................................................................................... 74
Bảng 2.20: So sánh Eb/N0 yêu cầu của phân tập phát vịng kín dạng 1 và chế độ
vịng hở với các trạm sử dụng anten đơn (độ lợi trung bình cho các dịch vụ 12,2

kbit/s với 144 kbit/s, chỉ tiêu BLER 1%).................................................................. 80

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thÕ hƯ míi


5

Bảng 2.21: Tập hợp các mức độ độ lợi dung lượng tiêu biểu cho cả hai trường hợp
tế bào macro và micro ............................................................................................... 81
Bảng 2.22: Dịch pha ϑm cho ma trận Butler 4x4 ...................................................... 83
Bảng 2.23: Kết quả mô phỏng độ lợi hoạt động của đường lên cho một loạt các cấu
hình anten .................................................................................................................. 84
Bảng 2.24: Độ lợi của việc giảm Eb/N0 yêu cầu trên đường xuống nếu sử dụng
Anten nhiều búp sóng so với tế bào sử dụng một anten duy nhất. ........................... 85
Bảng 2.25: So sánh dung lượng giữa cấu hình trạm gốc thơng thường với cấu hình
trạm gốc ROC, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 154,4 dB........................ 90
Bảng 2.26: So sánh dung lượng giữa cấu hình trạm gốc thơng thường với cấu hình
trạm gốc ROC, trên cơ sở suy hao truyền lan cho phép là 156,6 dB........................ 91
Bảng 2.27. Ứng dụng của các mức Sector hóa khác nhau........................................ 93
Bảng 2.28. Chỉ số nhiễu giữa các tế bào, anten đặc trưng và tổn hao chuyển giao
mềm cho các mức Sector hóa khác nhau .................................................................. 93
Bảng 2.29: Tác động của Sector hóa lên dung lượng trạm, trên cơ sở suy hao truyền
lan cho phép là 154,4 dB tương ứng với số liệu đường lên 64 kbit/s cho cấu hình
1+1+1 ........................................................................................................................ 94
Bảng 2.30: Tác động của Sector hóa lên dung lượng trạm, trên cơ sở suy hao truyền
lan cho phép là 149,6 dB tương ứng với số liệu đường lên 384 kbit/s cho cấu hình
1+1+1 ........................................................................................................................ 95
Bảng 2.31: Thông số đặc trưng của bộ lặp WCDMA............................................... 98
Bảng 2.32. Sự khác nhau giữa quỹ đường truyền đường lên của tế bào gốc và trạm
lặp .............................................................................................................................. 99

Bảng 2.33: Tác động lên dung lượng đường lên về mặt người dùng tiếng khi một
trạm lặp được chèn vào một tế bào được tính tốn với 30% tải đường lên. ........... 100
Bảng 2.34: So sánh các giải pháp tế bào micro ...................................................... 101
Bảng 2.35: So sánh các tham số liên quan đến dung lượng các tế bào macro và
micro........................................................................................................................ 102
Bảng 2.36: So sánh giữa dung lượng tế bào macro với tế bào micro với giả thiết cả
hai được lắp đặt các khối khuếch đại công suất 20W ............................................. 103
Bảng 2.37: Dung lượng tế bào micro khi được cấp 5W công suất phát ................. 104
Bảng 2.38: Hạn chế của một cây mã hóa kênh đơn dến kênh lưu lượng của tế bào
microa ...................................................................................................................... 105
Bảng 2.39: So sánh các tham số có liên quan vùng phủ các tế bào macro và micro105
Bảng 3.1.1: So sỏnh MC-CDMA v MC-DS-CDMA ............................................ 129

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.1: So sánh 3 mơ hình đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA................. 13
Hình 1.2.1: Hiệu quả của trải phổ chống nhiễu ........................................................ 19
Hình 1.2.2: Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính............................................................... 21
Hình 1.2.3: Đồ thị hàm tự tương quan thông thường đối với dãy có độ dài tối đa
Rx(τ) .......................................................................................................................... 23
Hình 1.2.4: Sơ đồ mạch tạo dãy Gold....................................................................... 25
Hình 1.2.5: Hàm tự tương quan của một dãy Gold................................................... 25
Hình 1.2.6: Mơ hình trải phổ triệt nhiễu. .................................................................. 26
Hình 1.2.7: Tác dụng triệt nhiễu của hệ thống trải phổ. ........................................... 28
Hình 1.2.9: Sơ đồ phía thu theo kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp................................. 29
Hình 1.2.10: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA.......................................................... 31

Hình 1.2.11: Phổ của tín hiệu thu và tạp âm sau bộ nhân......................................... 32
Hình 1.2.12: Sơ đồ khối máy phát DSSS sử dụng BIT/SK ...................................... 32
Hình 1.2.13: Giản đồ dạng sóng các tín hiệu tại các đầu ra của máy phát DSSSBPSK (giả thiết N = 7) .............................................................................................. 33
Hình 1.2.14: Sơ đồ khối máy thu DSSS-BIT/SK và dạng sóng các tín hiệu............ 35
Hình 1.2.15: Phổ tín hiệu FH lí tưởng....................................................................... 38
Hình 1.2.16: Sơ đồ máy phát trải phổ nhảy tần ........................................................ 38
Hình 1.2.17: Sơ đồ máy thu trải phổ nhảy tần .......................................................... 39
Hình 1.2.19: Phương pháp trải phổ nhảy thời gian................................................... 41
Hình 2.1: Các phân hệ thu trạm gốc điển hình – WCDMA riêng biệt và
GSM/WCDMA tích hợp ........................................................................................... 65
Hình 2.2: Cấu trúc một trạm gốc khuếch đại đỉnh RF từ xa ..................................... 68
Hình 2.3: Kích thước anten điển hình tương ứng với phân tập thu bốn nhánh ........ 75
Hình 2.4: Nguyên lý áp dụng phân tập phát vịng kín trong WCDMA. ................... 77
Hình 2.5: Ngun lý mã hóa phân tập phát khơng gian – thời gian trong WCDMA78
Hình 2.6: Dạng hình học của dàn anten thẳng đồng nhất cho sóng phẳng với hướng
đến θ .......................................................................................................................... 83
Hình 2.7: Cấu trúc một trạm gốc cấu hình ROC....................................................... 88
Hình 2.8: Mơ hình chia sẻ cơng suất phát đường xuống của cấu hình chia sẻ tối ưu89
Hình 2.9: Giải pháp sử dụng bộ lặp .......................................................................... 97
Hình 2.10: So sánh các bộ lặp WCDMA, số và tương t ......................................... 97

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


7

Hình 3.1.1: Tổng quan một hệ thống OFDM.......................................................... 111
Hình 3.1.2: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM.. 113
Hình 3.1.3a : Phổ tín hiệu của một kênh con ......................................................... 114
Hình 3.1.3b : Phổ tín hiệu của một hệ thống 4 kênh con ........................................ 114

Hình 3.1.4: Bộ điều chế OFDM .............................................................................. 115
Hình 3.1.5: Mơ tả thời gian/tần số của một ký hiệu OFDM và khung OFDM....... 116
Hình 3.1.6: Mơ tả khái niệm về chuỗi bảo vệ ......................................................... 117
Hình 2.1.7: Mơ tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI ............ 118
Hình 3.1.8: Xung cơ sở ........................................................................................... 119
Hình 3.1.9: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT ............................................. 120
Hình 3.1.10: Mơ hình kênh truyền dẫn ................................................................... 121
Hình 3.1.11: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM ................................................... 121
Hình 3.1.12: Mơ tả sự tách chuỗi bảo vệ ở giải điều chế OFDM ........................... 122
Hình 3.1.13: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật tốn FFT ............ 125
Hình 2.1.14: Bản chất MC-CDMA ......................................................................... 126
Hình 3.1.15: Nguyên lý MC-CDMA và MC-DS-CDMA ...................................... 127
Hình 3.1.16: Ngun lý MC-CDMA ...................................................................... 128
Hình 3.1.17: Phổ tín hiệu MC-CDMA trải phổ trong miền tần số ......................... 128
Hình 3.1.18: Ngun lý MC-DS-CDMA................................................................ 128
Hình 3.1.19: Phổ tín hiệu MC-DS-CDMA tri ph trong min thi gian .............. 129

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


8

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
3G

Third Generation

Thế hệ thứ 3

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ 4

ADC

Analog Digital Converter

Biến đổi tương tự - số

AMPS

Advanced Mobile Phone
System

Hệ thống điện thoại di động cải
tiến

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi Bit

BIT/SK
(BPSK)

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CLK

Clock

Xung đồng hồ

DAB

Digital Audio Broadcasting

Truyền thanh kỹ thuật số

DAC

Digital Analog Converter

Biến đổi Số - Tương tự

DC

Down Converter

Đổi tần xuống

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DPSK

Differential hase Shift Key

Khoá dịch pha vi phân

DS-CDMA

Direct Sequence - CDMA

CDMA trải phổ dãy trực tiếp

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DSSS

Direct Sequense Spreading
Spectrum

Trải phổ dãy trực tiếp

DSSS-BPSK

DSSS- Binary Phase Shift Key

Trải phổ dãy trực tiếp với điều
chế nhị phân

DVB-T

Terrestrial Digital Video
Broadcasting

Truyền hình số mặt đất

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp hệ số cân bằng

FDM

Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số

FFH

Fast Frequency Hopping

Nhảy tần nhanh

FFT

Fast Fourier Transform

Biến i Fourier nhanh

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


9

FHSS

Frequency Hopping Spreading
Spectrum

Trải phổ nhảy tần

FSK

Frequency Shift Key

Khoá dịch tần

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hệ thống thơng tin di động tồn
cầu

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IC

Interference Cancellation

Khử (huỷ) nhiễu

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu liên kênh

IF

Intermediary Frequency

Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu xuyên tín hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MAP

Maximum A Posteriori

Xác suất hậu nghiệm lớn nhất

MC-CDMA

MultiCarrier CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã
đa sóng mang

MF

Match Filtering

Lọc tương thích

MIMO

Multiple Input - Multiple
Output

Đa cổng vào - Đa cổng ra

MLD

Maximum Likehood Detection

Tách sóng (phát hiện) khả năng

giống nhau lớn nhất

ML-MUD

Maximum Likehood - MUD

Tách sóng đa người dùng khả
năng giống nhau lớn nhất

MLSE

Maximum Likehood Sequence
Estimation

Ước định chuỗi khả năng giống
nhau lớn nhất

MLSSE

Maximum Likehood Symbol by
Symbol Estimation

Ước định khả năng giống nhau
lớn nhất từng ký tự một

MMAC

Multimedia Mobile Access
Communication

Mạng thông tin truy nhập di
động đa phương tiện

MMSE

Minimum Mean Square Error

Sai số trung bình bình phương
cực tiểu

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỷ số lớn nht

MS

Mobile Station

Mỏy di ng

MUD

Multi-User Detection

Tỏch súng a ngi dựng

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới

10

MUI

Multi-User Interference

Nhiễu đa người dùng

OFCDM

Orthogonal Frequency and Code
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
và mã trực giao

OFDM

Othogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

PA

Power Amplifier

Khuyếch đại công suất

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên trung
bình

PIC

Parallel Interference
Cancellation

Khử nhiễu song song

PN

Pseudo Noise

Chuỗi (mã) giả tạp âm

PSK

Phase Shift Key

Khố dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ vng góc

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

SC

Scambling

Mã trải phổ dài

SF

Spectrum Factor

Hệ số trải phổ

SFH

Slow Frequency Hopping

Nhảy tần chậm

SIC

Successive Interference
Cancellation

Khử nhiễu lần lượt

SIR

Signal Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SS

Spreading Spectrum

Trải phổ

SUD

Single User Detection

Tách sóng đơn người dùng

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

THSS

Time Hopping

Trải phổ nhảy thời gian

UC

Upper Converter

i tn lờn

WCDMA

Wideband CDMA

CDMA bng rng

ZF

Zero Forcing

Cng bc Zero

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


11

LỜI NĨI ĐẦU
Thơng tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940 và có một tốc độ phát triển
rất nhanh chóng. Hiện nay thế hệ thứ 3 đã được đưa vào sử dụng và thế hệ thứ 4
cũng đang được nghiên cứu và phát triển.
Hệ thống thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể coi là một
bước phát triển lớn trong thông tin di động nhờ những đặc tính ưu việt của nó như
tái sử dụng tần số, chống nhiễu và bảo mật tốt. Qua thời gian hệ thống này không
ngừng được nâng cấp và cải tiến. Thế hệ thứ 3 hệ thống CDMA phát triển lên băng
rộng (WCDMA, CDMA 2000) với giải thơng lớn, tốc độ lên đến 2Mb/s, qua đó
những ưu điểm trên ngày càng được cải thiện. Tuy nhiên, nhu cầu của các dịch vụ
đa phương tiện như video, hình ảnh và dữ liệu ngày càng tăng theo thời gian cùng
sự địi hỏi tích hợp giữa các mạng di động với các mạng vơ tuyến tốc độ cao khác
(ví dụ các mạng LAN không dây như IEE802.11a, HIPERLAN/2 và MMAC) . Do
đó một địi hỏi được đặt ra là phải tăng hiệu năng băng thông để đáp ứng tốt các
dịch vụ dung lượng và tốc độ cao đó.
Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang (MC-CDMA) kết hợp các ưu
điểm của OFDM và CDMA đồng thời hạn chế một số nhược điểm của 2 kỹ thuật
này. MC-CDMA có tốc độ lên đến 20Mb/s, chống pha đinh đa đường và pha đinh
lựa chọn tần số, máy thu phức tạp thấp, hiệu năng phổ cao do sử dụng các kênh trực
giao. MC-CDMA được xem là ứng cử viên tiềm năng cho hệ thống thơng tin di
động 4G.
Mục đích chính của luận văn này tìm hiểu, nghiên cứu các biện pháp nhằm tối
ưu mạng truy nhập vô tuyến cho mạng WCDMA (3G) và tìm hiểu về cơng nghệ
OFDM của mạng MC-CDMA (4G trong tng lai).

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


12

Luận văn bao gồm những nội dung chính sau:
Phần I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA
Phần này giới thiệu về công nghệ CDMA và kỹ thuật trải phổ trong
CDMA trong đó trải phổ dãy trực tiếp là kỹ thuật trải phổ chính được sử
dụng.
Phần II. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI
ĐỘNG WCDMA
Phần này trình bày cơ sở toán học, các tác động và áp dụng thực tế của
các kỹ thuật cải thiện dung lượng và vùng phủ trong mạng di động thế hệ thứ
3-3G/WCDMA.
Phần III. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG ỨNG DỤNG TRONG
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA
Phần này giới thiệu về kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó tập trung
nghiên cứu, tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, ưu điểm, nhược điểm của OFDM,
lý thuyết điều chế và giải điều chế OFDM.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Viết Nguyên cùng các thầy cô
giáo khoa Điện Tử Viễn Thơng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận
văn của mình.
Do thời gian có hạn và tính chất rộng lớn của đề tài nên khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót, tơi rất mong nhận được sự cảm thơng cùng ý kiến đóng góp của
các thầy cơ v bn bố.

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi

13

PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA
CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
Việc phân chia các kênh liên kết cho mỗi máy di động được gọi là kĩ thuật đa
truy nhập. Trong thông tin di động có 3 phương thức đa truy nhập cơ bản là đa truy
nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access), đa truy
nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) và đa truy
nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access). Ta có thể so sánh một
cách trực quan về nguyên lí của 3 phương pháp đó thơng qua hình 1.1.1 sau:

t

f

FDMA

t

f

TDMA

t

f

CDMA
Hình 1.1.1: So sánh 3 mơ hình đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA

1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp,
cách nhau một dải tần phòng vệ. Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc, N
dải tần đầu tiên dành cho kênh liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N
dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống. Đặc điểm là mỗi máy di động được cấp
phát một đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. Nhiễu giao thoa do tần số các
kênh lân cận nhau là rất đáng kể. BTS phải có bộ thu phỏt riờng lm vic vi mi

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


14

MS trong Cell. Hệ thống FDMA điển hình là AMPS (Advanced Mobile Phone
System).

1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thô thành các dải tần liên lạc,
mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là
một khe thời gian trong chu kì một khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi
gói có bit chỉ thị đầu gói, bit chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ, các bit bảo vệ và các
bit dữ liệu. Đặc điểm là tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số. Liên lạc song
công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau. Do việc thu và phát không
đồng thời nên không cần chuyển mạch thu phát. Ưu điểm của phương pháp này là
giảm nhiễu giao thoa, giảm số máy thu phát ở BTS so với hệ thống FDMA. Hệ
thống TDMA điển hình là hệ thống GSM (Global System for Mobile
Communication).

1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Mỗi MS được gán một mã riêng biệt và kĩ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho các
MS khơng gây nhiễu cho nhau khi tất cả có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số.
Đặc điểm: Sử dụng kĩ thuật CDMA dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. Sử dụng kĩ
thuật trải phổ phức tạp. Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có
cường độ trường rất nhỏ và chống pha đinh hiệu quả hơn FDMA, TDMA. Việc các
thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến
đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng cịn là vấn đề khó khăn, hệ thống này
có khả năng chuyển giao mềm, điều khiển dung lượng trong cell rất linh hoạt.
* Các ưu điểm của hệ thống thông tin di động CDMA:
Khả năng chống nhiễu và bảo mật cao: Do mỗi máy di động có một mã PN đặc
trưng riêng, bên nghe trộm sẽ không thể thực hiện được nếu không có mã PN đồng
bộ với phía phát. Do đặc tính trải phổ nên nhiễu được giảm đáng kể, dự trữ chống
nhiễu chỉ cần thấp nên hệ thống trải phổ vừa tiết kiệm được công suất vừa cải thiện
được phạm vi hoạt động của mình so với các hệ thống sử dụng các phương pháp
điều chế thơng thường có cùng cơng suất phát. Thiết bị chống nhiễu cũng đơn giản
ví dụ như đối với ảnh hưởng của can nhiễu sang nhau của các dãy tín hiệu, hệ thống
CDMA chỉ cần các bộ tương quan có cấu trúc và yêu cầu đơn giản hơn nhiều so với
bộ cân bằng của hệ thống chống nhiễu trong FDMA và TDMA.
Công nghệ CDMA không những ít bị ảnh hưởng bởi pha đinh nhờ băng tần lớn
mà cịn tăng được mức tín hiệu thu nhờ các đường truyền tín hiệu khác nhau vì vậy
nó rất phù hợp với các địa hình có rất nhiều vật phản x nh khu vc thnh ph.

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


15

Ngồi thiết bị chống nhiễu thì các thiết bị vơ tuyến của hệ thống CDMA nhỏ và
dễ lắp đặt hơn nhiều do hệ thống CDMA chỉ cần một kênh vô tuyến duy nhất trong
khi đó các hệ thống FDMA và TDMA cần nhiều kênh vô tuyến cho mỗi cell.

Khai thác được đặc tính của đàm thoại đó là thời gian mà kênh truyền dẫn thực
sự tải tiếng nói thực tế chỉ chiếm 40% thời gian đàm thoại. Đối với hệ thống FDMA
và TDMA, khi một cuộc đàm thoại được thiết lập thì mỗi cuộc đàm thoại được dành
riêng một băng tần hay khe thời gian không phụ thuộc vào việc người đàm thoại có
nói hay khơng. Trong hệ thống CDMA tất cả các thuê bao đều sử dụng chung một
kênh vơ tuyến, vì vậy mỗi khi một th bao ngừng nói thì tất cả các th bao khác
sẽ ít bị can nhiễu hơn, điều đó cũng có nghĩa là với một chỉ tiêu can nhiễu cho trước
thì dung lượng của hệ thống CDMA lớn hơn các hệ thống khác.
Dung lượng: bên cạnh vấn đề can nhiễu giảm làm cho dung lượng tăng ta cịn
thấy trong trường hợp mạng có nhiều cell, khi mỗi cell chia nhỏ ra hay kích thước
bán kính của cell quá tải nhỏ lại, một số thuê bao ở vùng biên của cell trở thành thuê
bao của cell lân cận có số lượng th bao ít hơn, khi đó dung lượng của hệ thống
tăng lên đáng kể, và cũng có nghĩa là dung lượng mềm. Dung lượng mềm là ưu thế
của kĩ thuật CDMA so với các kĩ thuật FDMA và TDMA. Việc tăng dung lượng
trong trường hợp cần thiết cũng không làm giảm đáng kể chất lượng thoại.
Vấn đề chuyển giao là chuyển giao mềm (kết nối trước khi chuyển giao) do đó
tránh được việc ngắt quãng thời gian thông tin cũng như tạp âm khi thuê bao di
chuyển giữa các cell.
Tốc độ truyền dẫn: Bộ mã hố thoại có tốc độ truyền dẫn thay đổi theo hoạt
động của tiếng nói. Khi tốc độ truyền dẫn giảm dẫn đến giảm nhiễu và làm tăng
dung lượng của hệ thống.
Công nghệ CDMA làm giảm công suất tiêu thụ của máy di động nhờ các kĩ
thuật điều khiển công suất nhận các kênh nhắn tin theo chế độ phân khe. Cơng suất
phát đủ lớn ít ảnh hưởng đến người dùng nhờ điều khiển khuyếch đại công suất,
triệt nhiễu tốt dẫn đến tỉ số S/N lớn nên công suất phát chỉ cần nhỏ. Hệ thống
CDMA có độ tăng ích xử lí lớn.
Vấn đề quy hoạch tần số: Hệ thống CDMA do chỉ sử dụng chung một kênh vô
tuyến nên không phải tính đến việc phân bổ tần số như đối với FDMA và TDMA.
FDMA và TDMA khi tăng số cell của mạng phải thay đổi hoàn toàn quy hoạch tần
số trong khi CDMA khơng cần đến điều này.

Tóm lại ta có thể so sánh các ưu nhược điểm cơ bản của 3 phương thức đa truy
nhập này thông qua bảng 1.1.1 sau:

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thÕ hƯ míi


16

Bảng 1.1.1: So sánh ưu nhược điểm 3 mơ hình đa truy nhập
FDMA, TDMA và CDMA
Hệ thống

Ưu điểm
- Thủ tục thâm nhập đơn giản

FDMA

- Cấu hình đơn giản

Nhược điểm
- Thiếu linh hoạt trong việc thay đổi
thiết lập tuyến

- Ít bị ảnh hưởng bởi sự phân tán thời - Hiệu quả thấp khi số lượng sóng
gian
mang tăng
- Dung lượng thấp
- Hiệu quả sử dụng tuyến cao
TDMA

- Tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát
- Linh hoạt cao trong thay đổi thiết
lập tuyến

- Công suất phát trạm cao

- Chống nhiễu, méo tốt

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu
cầu lớn

- Bảo mật thông tin cao
CDMA

- Yêu cầu đồng bộ cụm cao, cân
bằng tốt

- Thích nghi tốt với mơi trường
truyền dẫn thay đổi
- Hiệu quả sử dụng băng tần cao

- Hệ thống khá phức tạp

- Hệ thống phức tạp
- Yêu cầu điều khiển công suất khắt
khe, nhanh

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CƠNG NGHỆ CDMA
2.1 Giới thiệu về hệ thống thơng tin trải phổ
2.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin trải phổ

Hệ thống thông tin trải phổ là hệ thống thơng tin có băng tần phát lớn hơn nhiều
lần so với băng tần tín hiệu gốc thơng qua việc sử dụng điều chế tín hiệu gốc với mã
trải phổ có bề rộng lớn hơn rất nhiều lần bề rộng phổ của tín hiệu gốc. Mã trải phổ
trong kĩ thuật trải phổ độc lập với tín hiệu.
Những ứng dụng trải phổ nằm trong một số loại phổ biến như sau:
c Sự chịu đựng (dung sai) cao đối với can nhiễu có chủ định(gây nhiễu) hoặc
can nhiễu khơng có chủ định thơng qua việc triệt bỏ nó bằng một lượng tỷ lệ
với hệ số dãn phổ.
d Xác định vị trí và ước tính tốc độ với độ chính xác tăng tỷ lệ thuận với dải
thơng dãn phổ.
e Khả năng phát hiện tín hiệu phát rất thấp đối với một máy thu không chủ
định, khả năng này càng giảm xuống khi hệ số dón ph tng lờn.

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


17

f Thông tin đa truy nhập của một số lượng lớn các khách hàng tương đối tản
mạn đựơc phân bố một phổ tần chung ở cùng một vùng và các vùng lân cận
nhau. Số lượng khách hàng liên lạc với nhau cùng một lúc tỉ lệ thuận với hệ
số giãn phổ.

2.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin trải phổ
Một hệ thống thông tin số được gọi là trải phổ nếu nó thoả mãn các u cầu sau
đây:
• Tín hiệu sau trải phổ chiếm độ rộng băng tần lớn gấp nhiều lần độ rộng băng
tần tối thiểu cần thiết để truyền thơng tin đi.
• Sự trải phổ được thực hiện bởi tín hiệu trải phổ thường được gọi là mã trải
phổ, mã trải phổ này độc lập với tín hiệu.

• Tại phía thu việc nén phổ để khơi phục lại tín hiệu ban đầu được thực hiện
bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao được đồng bộ của tín hiệu
trải phổ đã được đồng bộ ở phía phát.
Một số kĩ thuật điều chế và giải điều chế sử dụng băng truyền dẫn lớn hơn độ
rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dữ liệu nhưng khơng thoả mãn 2 u cầu
cuối ở trên thì khơng phải là điều chế trải phổ

2.1.3 Cơ sở của việc ra đời hệ thống thông tin trải phổ
2.1.3.1 Những hạn chế của kĩ thuật thông thường
Tuy không phủ nhận hai kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian và đa
truy nhập phân chia theo tần số nhưng ta có thể nhận thấy những điểm hạn chế của
các hệ thống này. Đó là khi mỗi thuê bao của các hệ thống đa truy nhập này được
cung cấp các tài nguyên kênh như tần số hoặc khe thời gian, khi đó chúng khơng kết
nối với tần số hoặc khe thời gian của các thuê bao khác. Các kênh đa truy nhập trở
thành vô số các kênh đơn điểm nối điểm cố định.
Dung lượng của mỗi kênh bị giới hạn bởi dải thơng và thời gian được gán cho
nó, đặc biệt là nhiễu và suy hao do các hiện tượng che khuất và pha đinh.
Không tận dụng được thời gian nghỉ trong lúc đàm thoại do các khe thời gian
hoặc tần số trong một chu kì ngắn khơng thể chuyển mạch quá nhanh giữa các thuê
bao.
Một nguyên nhân nữa làm giảm chất lượng cho các hệ thống đa truy nhập này là
sự mất pha giữa các đường truyền lan khác nhau trong tính chất đa đường có thể
gây ra pha đinh nghiờm trng.

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thÕ hƯ míi


18

2.1.3.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ sử dụng trong công nghệ

CDMA
a, Ưu điểm triệt nhiễu
Xét với tạp âm trắng Gauss, tạp âm này có phổ năng lượng phân bố đều vô hạn
ở tất cả các tần số. Tuy nhiên chỉ có các thành phần tạp âm trong khơng gian tín
hiệu mới thực sự là nhiễu, tức chỉ có các thành phần tạp âm trong bề rộng phổ của
tín hiệu mới gây ra các ảnh hưởng có hại làm giảm đặc tính của hệ thống.
Sau đây ta sẽ khảo sát kĩ hơn tại sao hệ thống trải phổ lại chống nhiễu tốt:
Giả sử tín hiệu có bề rộng phổ là W, thời gian tồn tại là T => Số phân lượng phổ
≈ 2WT. Nếu xét riêng với một loại tín hiệu cho trước thì đặc tính lỗi của hệ thống
được xác định bởi tỉ số Eb/N0. Với tạp âm trắng Gauss có năng lượng vơ hạn thì trải
phổ tín hiệu với băng tần >>2WT vẫn khơng cải thiện được đặc tính của hệ thống.
Tuy nhiên đối với tạp âm trắng Gauss có cơng suất cố định và phiá gây nhiễu khơng
biết toạ độ phổ tín hiệu ích thì việc trải phổ là cải thiện đáng kể đặc tính của hệ
thống (chống nhiễu) bởi vì phía gây nhiễu chỉ có thể lựa chọn 1 trong 2 giải pháp
sau để gây nhiễu và cả 2 giải pháp đó đều bị hạn chế ảnh hưởng do đã có hệ thống
trải phổ.
* Giải pháp 1:
Phía gây nhiễu gây nhiễu tất cả các toạ độ tín hiệu của hệ thống với năng lượng
nhiễu gây ra như nhau tại tất cả các toạ độ tín hiệu, như vậy thì mỗi toạ độ tín hiệu
chỉ bị nhiễu với cơng suất rất nhỏ.
*Giải pháp 2:
Phía gây nhiễu dự đốn một số ít các toạ độ nào đó của ta để gây nhiễu, phương
án này tuy năng lượng nhiễu cao nhưng chỉ có khả năng tập trung ở một phổ nhỏ
của ta.
Việc trải phổ đối với tạp âm Gauss và nhiễu cố ý được thể hiện trên hình 1.2.1
Gọi G(f) là mật độ phổ năng lượng của tín hiệu trước khi trải phổ, Gss(f) là mật
độ phổ năng lượng của tín hiệu sau khi trải phổ. Như hình 1.2.1 a) mơ tả ta thấy đối
với tạp âm trắng, khi trải phổ tín hiệu từ dải thơng W ban đầu sang dải thơng mới
Wss thì mật độ phổ năng lượng của tạp âm trắng luôn bằng N0 vẫn không thay đổi
do phổ của tạp âm trắng là vô cùng, sự trải phổ không cho phép cải thiện đặc tớnh

ca h thng.

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


19

Trên hình 1.2.1 b) giả sử cơng suất nhiễu là J, trước khi trải phổ bề rộng phổ của
tín hiệu là W, do đó mật độ phổ cơng suất của nhiễu là J0=J/W. Quay lại 2 giải pháp
mà phía gây nhiễu có thể thực hiện ta thấy:
Với giải pháp 1, dù mật độ phổ cơng suất của nhiễu phủ tồn bộ giải thơng của
tín hiệu nhưng do trải phổ với bề rộng phổ là Wss do đó mật độ phổ của nhiễu bây
giờ là J0’=J/Wss=J0.W/Wss. Từ đó ta thấy với Wss càng lớn thì mật độ phổ của nhiễu
càng nhỏ.
Với giải pháp 2, phía gây nhiễu sẽ giảm số toạ độ tín hiệu cần gây nhiễu. Do vậy
phía gây nhiễu có thể tăng mật độ phổ tạp âm nhiễu từ J0 lên J0/p với p là tỷ số giữa
một phần độ rộng băng tần trải phổ đã được phía gây nhiễu lựa chọn để gây nhiễu
và độ rộng băng trải phổ Wss (0 ≤ p ≤ 1). Như vậy nếu phía gây nhiễu lựa chọn các
toạ độ tín hiệu gây nhiễu khơng hợp lý thì hiệu quả của việc gây nhiễu theo phương
án này sẽ rất kém.
a, Trường hợp tạp âm trắng

b, Trường hợp nhiễu cố ý

N0

W

W

Trước khi trải phổ

Trước khi trải phổ
N0
J0 = J/Wss

Wss

Wss

Sau khi trải phổ

Sau khi trải phổ
(Phía gây nhiễu chọn giải pháp 1)
J0/p

Wss
Sau khi trải phổ
(Phía gây nhiễu chọn giải pháp 2)

Hình 1.2.1: Hiệu quả của tri ph chng nhiu

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


20

Nói tóm lại, để chống lại nhiễu cố ý ta phải lựa chọn sự phân bố tín hiệu sao cho
phía gây nhiễu khó có thể thiết lập được tỷ số cơng suất nhiễu tạp âm trên tín hiệu
có giá trị lớn trong sự phân bố tín hiệu này.

b, Tính bảo mật cao
Do quá trình trải phổ được thực hiện bằng một mã trải phổ, phía thu chỉ có thể
giải mã được tín hiệu từ phía phát khi nó có được mã PN đồng bộ với phía phát.
c, Hệ thống thơng tin sử dụng kĩ thuật trải phổ có được các tính chất quan trọng
như tái sử dụng tần số, điều khiển cơng suất nhanh chóng và chính xác, bảo đảm
truyền dẫn chất lượng cao, giảm pha đinh đường truyền và cho phép chuyển giao
mềm giữa các trạm gốc.

2.2 Kỹ thuật trải phổ trong CDMA
2.2.1 Mã trải phổ
Trong hệ thống CDMA bộ tạo mã giả tạp âm là thành phần quan trọng nhất và là
yếu tố quyết định sự định dạng cho những người sử dụng khác nhau trong hệ thống.
Dãy giả ngẫu nhiên khác với tín hiệu thực sự ngẫu nhiên. Tín hiệu ngẫu nhiên
khơng thể xác định được, sự biến đổi tiếp theo của nó chỉ có thể mơ tả được bằng
bảng thống kê. Tuy nhiên tín hiệu giả ngẫu nhiên thì khơng hồn tồn ngẫu nhiên,
nó là tín hiệu có chu kì nhất định và có thể được dự đốn trước cả ở phía thu và phía
phát. Mặc dù là tín hiệu xác định, sự xuất hiện của nó có tính chất thống kê của tạp
âm trắng được lấy mẫu. Với các đối tượng trái phép sự xuất hiện của nó thực sự là
ngẫu nhiên.

2.2.1.1 Các chỉ tiêu ngẫu nhiên
Có 3 chỉ tiêu cơ bản có thể được áp dụng cho các dãy nhị phân tuần hoàn như
chỉ tiêu của sự xuất hiện ngẫu nhiên. Đó là các chỉ tiêu: Tính cân đối, Tính chạy và
tính tương quan.
+ Tính tương đối:
Để cân đối tốt yêu cầu trong mỗi một chu kì của dãy, số con số nhị phân “1”
và số con số nhị phân “0” khác nhau nhiều nhất một đơn vị.
+ Tính chạy:
Một bước chạy được định nghĩa là dãy các bit cùng loại. Sự xuất hiện của bit
khác loại có nghĩa là bắt đầu một bước chạy mới. Độ dài của bước chạy là số bit

trong bước chạy. Trong số các bước chạy của một chu kì nếu có một nửa số
bước chạy loại độ dài là 1, 1/4 loại độ dài là 2, 1/8 loại độ dài là 3, .... thì dãy đó
gọi là có tớnh chy.
+ Tớnh tng quan:

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


21

Từ một dãy giả tạp âm tạo ra, ta có một dãy khác được suy ra từ dãy này
bằng cách dịch đi lần lượt từng vị trí bit, bit già nhất dịch về vị trí bit trẻ tiếp
theo và bit trẻ nhất dịch về vị trí bit già nhất hay ngược lại. Các bit cùng vị trí so
sánh với nhau, nếu giống nhau là phù hợp được kí hiệu là a và khác nhau là
khơng phù hợp được kí hiệu là d. Tính tương quan thoả mãn nếu số hạng phù
hợp và số hạng không phù hợp chỉ sai khác nhau 1 đơn vị.

2.2.1.2 Tạo dãy ghi dịch
Xét bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính sau:

X1

X2

X3

X4

Đầu ra

Bộ cộng modul 2
Hình 1.2.2: Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính
Bộ ghi dịch gồm có 4 phần tử nhớ và dịch, bộ cộng modul 2 và đường hồi tiếp
từ bộ cộng trở về đầu vào của bộ ghi dịch. Hoạt động của bộ ghi dịch được điều
khiển bởi dãy các xung nhịp. Khi có một xung nhịp tác động, nội dung của mỗi
phần tử nhớ của bộ ghi dịch bị dịch sang phần tử nhớ bên phải. Cũng như thế mỗi
khi có xung nhịp nội dung X3 và X4 được cộng modul 2 và kết quả nhận được hồi
tiếp về phần tử X1. Trong ví dụ này chuỗi ghi dịch được định nghĩa là chuỗi thu
được tại đầu ra X4. Giả sử trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch là 1000. Khi đó các
trạng thái kết tiếp của thanh ghi dịch như trong bng 1.2.1 sau:

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


22

Bảng 1.2.1: Trạng thái các thanh ghi dịch của bộ tạo dãy mã giả ngẫu nhiên
Xung nhịp
tác động

Trạng thái của bộ tạo

T0

1

0

0

0

T1

0

1

0

0

T2

0

0

1

0

T3

1

0

0

1

T4

1

1

0

0

T5

0

1

1

0

T6

1

0

1

1

T7

0

1

0

1

T8

1

0

1

0

T9

1

1

0

1

T10

1

1

1

0

T11

1

1

1

1

T12

0

1

1

1

T13

0

0

1

1

T14

1

0

0

0

Sau 15 xung nhịp bộ tạo quay về trạng thái ban đầu là 1000. Dãy tín hiệu thu
được tại đầu ra của phần tử X4 sau 15 xung nhịp là: 000100110101111. Chúng ta
thử kiểm tra các tính chất trên để xác định xem dãy này có thoả mãn chỉ tiêu ngẫu
nhiên khơng.
Xét tính cân đối: Trong dãy có tất cả 7 con số “0” và 8 con số “1”, do đó chênh
lệch về số lượng hai loại này là 1. Như vậy tính cân đối đã thoả mãn
Xét tính chạy: Tổng cộng có 8 bước chạy, có bốn bước chạy độ dài 1, hai bước
chạy độ dài 2, và một bước chạy độ dài 3. Như vậy tính chạy đã thoả mạn.

Bộ ghi dịch tạo ra các mà tuỳ thuộc vào số phần tử nhớ, cách đưa hồi tiếp và
các điều kiện đầu. Dãy ở đầu ra của bộ ghi dịch được phân loại như: dãy có độ dài
tối đa hoặc dãy có độ dài khơng tối đa. Các dãy có độ dài tối đa là dãy mà nếu đưa
vào dãy bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính có n phần tử nhớ, sự lặp lại của dãy xuất
hiện sau p xung nhịp, trong đó p = 2n - 1. Như vậy ta có thể thấy rằng dãy tạo ra vớ

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi


23

dụ trên là dãy có độ dài tối đa. Nếu dãy có độ dài nhỏ hơn 2n - 1 thì dãy đó gọi là
dãy có độ dài khơng tối đa.

2.2.1.3 Hàm tương quan giả tạp âm
Hàm tương quan giả tạp âm Rx(τ) của giao động x(t) tuần hoàn với chu kì T0
được xác định như sau:
T /2

R x (τ ) =

1 1 0
. . x(t ).x(t + τ )dt
K T −T∫0 / 2

(1.2.1)

Với -∞ < t < ∞
T /2

K=

1 0 2
. x ( t )dt
T −T∫0 / 2

Khi x(t) có dạng xung tuần hoàn biểu diễn dãy giả tạp âm, chúng ta xem mỗi
xung cơ bản như một kí hiệu mã giả ngẫu nhiên hay còn gọi là một chip. Với một
chu kì vó p chip, hàm tự tương quan có thể biểu diễn như sau:
Rx(τ) = (-1/p).(Số số hạng phù hợp trừ đi số số hạng không phù hợp khi so sánh
một chu kì của dãy đó nhưng bị dịch đi một khoảng thời gian là τ).
Hàm tự tương quan thơng thường đối với dãy có độ dài tối đa (dãy m) Rx(τ)
được trình bày trong hình 1.2.3 dưới đây:
Rx(τ)

p =2n - 1
+1

1/p

τ

0

Khoảng thời gian tồn tại
một chíp thường =1

Hình 1.2.3: Đồ thị hàm tự tương quan thơng thường i
vi dóy cú di ti a Rx()

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới


24

Với τ = 0, đó là khi x(t) và bản sao của nó trung nhau hồn tồn và lúc đó Rx(τ)
= 1. Tuy nhiên với bất kì việc dịch chu kì nào giữa x(t) và x(t+τ) với 1≤τ≤ p Hàm tự
tương quan Rx(τ) = -1/p.
Bây giờ ta kiểm tra dãy giả ngẫu nhiên tại đầu ra bộ ghi dịch đã trình bày ở ví dụ
trên xem có thoả mãn tính tương quan hay không:
. Đầu ra bộ ghi dịch: 000100110101111
. Dịch đi một nhịp:

100010011010111

. Tính phù hợp:

daaddadaddddaaa

Các con số phù hợp gán nhãn a và các con số không phù hợp gán nhãn d.
Theo phương trình tính Rx(τ) ở trên đối với dãy giả tạp âm, giá trị hàm tự tương
quan đối với việc dịch một chip đơn là:
R (τ = 1) =

1
1
1
(7 − 8) = − = −
15
15

p

Bất cứ sự dịch chu kì nào cũng dẫn đến cùng một giá trị hàm tương quan là (1/p). Do vậy dãy xét ở trên thoả mãn chỉ tiêu ngẫu nhiên.
Ngoài dãy có chiều dài tối đa (dãy m) người ta cịn sử dụng dãy Gold làm mã
trải phổ. Dãy Gold là mã trải phổ dùng trong CDMA, hàm tương quan chéo giữa hai
dãy Gold bất kỳ là khá nhỏ và lấy một trong ba gia trị sau:
1
r ( n)
L
1
−
L
1
+ [r (n) − 2]
L
−

θ(τ) =

(1.2.2)

1+ 2

n +1
2

với n lẻ

với τ(n) =
1+ 2

n+2
2

với n chẵn

Trong đó L là số chip cắt và L = 2n - 1, n là số tầng của bộ ghi dịch hồi tiếp.
Dãy Gold là kết quả cộng modul-2 đối với hai dãy m được định thời bằng cùng
tốc độ chip fc. Xét ví dụ mạch tạo dãy Gold bằng hai bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính
(hai bộ tạo dãy m). Sơ đồ mạch tạo dãy Gold đơn giản và tạo ra được số lượng lớn
dãy Gold cung cấp cho các MS trong mạng CDMA như hình 1.2.4 di õy:

Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thÕ hƯ míi