Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến Trong hệ thống THSS một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian trong một khung chứa một số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhẩy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Lúc đầu các kỹ thuật SS được sử dụng trong các hệ thống thông tin của quân sự.
Ý tưởng lúc đầu là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn bằng cách gây khó khăn cho các máy thu này trong việc tách và lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin vào tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng một mã đươc "coi là" ngẫu nhiên để mã hoá cho bản tin. Ta muốn mã này giống ngẫu nhiên nhất. Tuy nhiên máy thu chủ định phải biết được mã này, vì nó cần tạo ra chính mã này một cách chính xác và đồng bộ với mã được phát để lấy ra bản tin (giải mã).
Vì thế mã "giả định" ngẫu nhiên phải là xác định. Nên ta phải sử dụng mã giả ngẫu nhiên (hay mã giả tạp âm). Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng cuả bản tin. Bản tin trên được biến đổi bởi mã sao cho tín hiệu nhận được có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên.
Có thể coi sự biến đổi này như một quá trình "mã hoá". Quá trình này được gọi là quá trình trải phổ. Ta nói rằng ở máy phát bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Máy thu phải giải trải phổ của tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ của bản tin.
Hiện này phần lớn các quan tâm về các hệ thống SS là các ứng dụng đa truy nhập mà ở đó nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn. Trong hệ thống DSSS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm.
các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình. Các mã trải phổ có thể là các mã giả tạp âm (PN code) hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao. Để hiểu tổng quan vai trò của trải phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến phàn dưới đây ta sẽ xét tổng quan trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Cụ thể về các phương pháp trải phổ DSSS, FHSS và THSS sẽ được khảo sát ở các chương tiếp theo. Mô hình đ n giản của m t h thống trải ph chuỗi trực ti p, DSSS Mô hình đơn giản của một hệ thống trải phổ gồm K người sử dụng chung một băng tần với cùng một tần số sóng mang fc và điều chế BPSK được cho ở hình 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến Tx1 Rx1 Bé chuyÓn ®æi møc Gi¶i ®iÒu Gi¶i tr¶i Tr¶i phæ §iÒu chÕ 0 → +1 ∫ (.)dt chÕ phæ Tb d(t) M¹ch quyÕt b1 (t ) 1 → −1 b1 ( t ) {0,1} ®Þnh {0.1} Rb = {+1,-1} Rb = 0 Rb = 1 1 cos( 2 πf c t ) 1 cos( 2 πf c t ) Tb 2E b 2 Tb Tb Tb c1 ( t ) Bé t¹o Bé t¹o c1 ( t ) Tb {+1,-1} m· PN Rc = m· PN {+1,-1} 1 Rc = 1 Tc Tc Tx2 Rx2 b 2 ( t ), c 2 ( t ) c 2 ( t ), b 2 ( t ) TxK RxK b K ( t ), c K ( t ) c K ( t ), b K ( t ) Hình 1. Mô hình đ n giản của m t h thống DSSS g m K ng ời sử dụng chung m t bằng tần v i cùng m t sóng mang fc và điều ch BPSK.
Mô hình được xét ở hình 1.15 gồm K máy phát thu được ký hiệu là Txk và Rxk tương ứng với k=1.K, vì cấu trúc của chúng giống nhau nến ta chỉ vẽ chi tiết cho một khối (Tx1 và Rx1), các khối còn lại được vẽ ở dạng hộp đen với các thông số riêng cho các khối này như: bk (t) thể ∧ hiện chuỗi bit phát, ck(t) thể hiện mã trải phổ và b k ( t ) thể hiện chuỗi bit thu. Tín hiệu ở đầu vào của máy phát k là luồng số thông tin của người sử dụng bk(t) có tốc độ bit Rb=1/Tb. Đây là một tín hiệu cơ số hai ngẫu nhiên đơn cực với hai mức giá trị {0,1} đồng xác suất được biểu diễn như sau: ∞ b k (t) = ∑ b k (i)pTb ( t − iTb ) (1.2) i =−∞ trong đó pTb(t) là hàm xung vuông đơn vị được xác định như sau: pTb (t) = { 1 nÕu 0 ≤ t ≤ Tb 0 nÕu kh¸c (1.3) và bk(i) ={0,1} với sự xuất hiện của 0 và 1 đồng xác suất. Sau bộ chuyển đổi mức ta được luồng bit ngẫu nhiên lưỡng cực d(t) với hai mức {+1,-1} đồng xác suất được biểu diễn như sau: ∞ d k (t) = ∑ d k (i)pTb (t − iTb ) (1.4) i =−∞ trong đó p(t) được xác định theo (1.-1} với sự xuất hiện của +1 và -1 đồng xác suất.
Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến Sau đó luồng bit lưỡng cực được đưa lên trải phổ bằng cách nhân với mã trải phổ được gọi là mã giả tạp âm với tốc độ được gọi là tốc độ chip Rc=1/Tc. Các mã này có chu kỳ là Tb và thông thường Tb=NTc với N khá lớn. Để các máy thu có thể phân biệt được các mã trải phổ, các mã này phải là các mã trực giao chu kỳ Tb thoả mãn điều kiện sau: { Tb 1 1 nÕu k = j T ∫ c (t)c (t)dt = k j 0 nÕu k ≠ j (1.5) b 0 và tích của hai mã trực giao sẽ bằng 1 nếu là tích của chính nó và là một mã trực giao mới trong tập mã trực giao nêu là tích của hai mã khác nhau: c k (t)c j (t) = { 1 nÕu k = j c i (t) nÕu k ≠ j (1.6) Mã trải phổ là chuỗi chip nhận các giá trị {+1,-1} gần như đồng xác suất nếu N lớn và được biểu diễn như sau: N c k (t) = ∑ c k (i)pTc (t − iTc ) (1.7) i =1 trong đó ci ={+1,-1} là chuỗi các xung nhận hai giá trị +1 hoặc -1 và mỗi xung được gọi là chip, Tc là độ rộng của một chip, pTc(t) là hàm xung vuông được xác định như sau: pTc (t) = { 1 0 nÕu 0 ≤ t ≤ Tc nÕu kh¸c (1.8) Sau trải phổ tín hiệu số có tốc độ chip Rc được đưa lên điều chế BPSK bằng cách nhân với 2E b sóng mang: cos(2πfc t) để được tín hiệu phát vào không gian như sau: Tb 2E b s(t) = d k (t)c k (t) cos(2πfc t) , 0≤t≤Tb (1.9) Tb trong đó Eb là năng lượng bit, Tb là độ rộng bit và fc là tần số sóng mang. Bây giờ ta xét quá trình xẩy ra ở máy thu.
Để đơn giản ta coi rằng máy thu được đồng bộ sóng mang và mã trải phổ với máy phát, nghĩa là tần số , pha sóng mang và mã trải phổ của máy thu giống như máy phát. Ngoài ra nếu bỏ qua tạp âm nhiệt của đường truyền và chỉ xét nhiễu của K-1 người sử dụng trong hệ thống, giả sử công suất tín hiệu thu tại máy thu k của K người sử dụng bằng nhau và để đơn giản ta cũng bỏ qua trễ truyền sóng, tín hiệu thu sẽ như sau: K 2E br r(t) = ∑ d j (t)c j (t) cos(2πfc t) (1.10) j=1 Tb trong đó Ebr=Eb/Lp là năng lượng bit thu, Lp là suy hao đường truyền. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến Tín hiệu thu được đưa lên phần đầu của quá trình giải điều chế để nhân với 2 cos(2πfc t) , sau đó được đưa lên giải trải phổ, kết quả cho ta: Tb E br ⎛⎜ K K ⎞ u(t) = ⎜∑ d j (t)c j (t)c k (t) + ∑ d j (t)c j (t)c k (t) cos(4πfc t)⎟⎟⎟ (1.11) Tb ⎜⎝ j=1 j=1 ⎠⎟ Sau bộ tích phân thành phần thứ hai trong (1.10)là thành phần cao tần sẽ bị loại bỏ, ta được: Tb Tb E br K v(t) = ∫ 0 u(t)dt = Tb ∑ d (t)∫ c (t)c (t)dt j j k (1.12) j=1 0 Lưu ý đến tính trực giao của các mã trải phổ theo (1.5) và dj={+1,-1} ta được kết quả của tích phân (1.12) như sau: v(t) = d k (t) E br =± E br (1.13) Mạch quyết định sẽ cho ra mức 0 nếu V(t) dương và 1 nếu âm. Kết qủa ta được chuỗi bit thu b̂(t) là ước tính của chuỗi phát.
Trường hợp lý tưởng ta được chuỗi này bằng chuỗi bit phát bk(t). Ph của tín hi u Để hiểu rõ ý nghĩa của trải phổ ở các hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ, ta xét dạng phổ của các tín hiệu trên mô hình ở hình 1. Tương tự như trên ta cũng sẽ chỉ xét phổ ở hệ thống phát thu Txk và Rxk làm thí dụ. Phổ của của luồng số đơn cực bk(t) được xác định theo công thức sau: 2 2 b im b im Φ b (f) = Tb Sinc (fTb ) + 2 δ(f) 4 4 1 1 = Tb Sinc 2 (fTb ) + δ(f) (1.14) 4 4 Nếu chỉ xét cho phổ dương và không ta được: 1 1 Φ b (f) = Tb Sinc 2 (fTb ) + δ(f) (1.16) −∞ Phổ của luồng số lưỡng cực được xác định như sau: Φd (f) = d i2 Tb Sinc 2 (fTb ) 19 Chương 1.
Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến = Tb Sinc 2 (fTb ) (1.17) Nếu chỉ xét cho phổ dương ta được: Φd(f) = 2Tb Sinc 2 (fTb ) (1.18) Phổ của luồng số sau trải phổ được xác định như sau: Φdc (f) = (d i c i ) Tc Sinc 2 (fTc ) 2 = Tc Sinc 2 (fTc ) (1.19) Nếu chỉ xét cho phổ dương ta được: Φdc(f) = 2Tc Sinc 2 (fTc ) (1.