I. Tổng Quan Công Nghệ DS CDMA Giải Pháp Mạng Di Động
Trong bối cảnh nhu cầu kết nối không ngừng tăng cao, công nghệ mạng di động đóng vai trò then chốt. Người dùng mong muốn truy cập Internet, gửi email mọi lúc mọi nơi. Truyền thông không dây là giải pháp hiệu quả. Tuy nhiên, băng thông là tài nguyên hữu hạn. Việc phân bổ hiệu quả cho nhiều thuê bao trở nên quan trọng. Một trong số đó là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Phương pháp này chia băng tần thành các kênh tần số riêng, cấp cho mỗi thuê bao. Lựa chọn khác là đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), phục vụ thuê bao theo thứ tự thời gian. Luận văn này tập trung vào đa truy cập phân chia theo mã (CDMA).
1.1. Ưu điểm của DS CDMA so với FDMA và TDMA
Trong hệ thống CDMA, mỗi thuê bao sử dụng toàn bộ phổ tần số trong toàn bộ thời gian. Các thuê bao được phân biệt bằng mã giả ngẫu nhiên riêng. Mã này không tương quan với mã của các thuê bao khác trên cùng băng tần. Mã này có thuộc tính tự tương quan tốt. Có nhiều lược đồ CDMA khác nhau. Phổ biến nhất là trải phổ nhảy tần (FH) và trải phổ dãy trực tiếp (DS-CDMA). Trong DS-CDMA, tại bộ phát, dòng dữ liệu băng hẹp của thuê bao được nhân với mã duy nhất và gửi dưới dạng tín hiệu băng rộng. Tại bộ thu, tín hiệu nhận được là tổng của dữ liệu băng rộng và nhiễu của tất cả thuê bao được nhân lại với mã của thuê bao đã phát.
1.2. Ứng dụng của DS CDMA trong hệ thống tế bào
Vì mã của các thuê bao khác không tương quan với mã này, các tín hiệu vẫn ở lại trong vùng băng rộng. Tín hiệu của thuê bao đã phát được chuyển lại thành tín hiệu băng hẹp gốc. Luận văn này tập trung vào DS-CDMA và các thuộc tính của nó khi ứng dụng cho hệ thống tế bào. DS-CDMA mang lại nhiều ưu điểm so với các công nghệ khác, đặc biệt trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng di động.
II. Vai Trò DS CDMA Nền Tảng Phát Triển Mạng 5G 4G
CDMA ban đầu được sử dụng trong các ứng dụng quân sự để chống lại nhiễu có chủ ý. Vào thập kỷ 80, Qualcomm nghiên cứu khả năng áp dụng DS-CDMA vào truyền thông tế bào. Chuẩn CDMA IS-95 băng hẹp ra đời năm 1993, đánh dấu hoạt động thương mại trong lĩnh vực di động. Từ năm 1990, các kỹ thuật CDMA được nghiên cứu và hiện nay các hệ thống tế bào CDMA được sử dụng ở Mỹ và Hàn Quốc. Các hệ thống tế bào thế hệ 3 theo tiêu chuẩn IMT-2000 và UMTS ở châu Âu mang đến dịch vụ chất lượng cao so với các hệ thống băng hẹp như GSM. Các hệ thống tế bào băng rộng có nhiều mục tiêu cần đạt như tốc độ bit cao hơn, nhiều dịch vụ đồng thời cho một thuê bao, các dịch vụ yêu cầu QoS khác nhau và hiệu quả sử dụng phổ cao.
2.1. Mục tiêu của IMT 2000 và ứng dụng DS CDMA
IMT-2000 hướng đến tốc độ bit cao hơn, mở rộng vùng phủ sóng và tính di động cho thuê bao tại tốc độ 144kbps (tốc độ cơ sở ISDN), tốt hơn nữa là 384kbps (tốc độ cơ bản ISDN). Với tốc độ 2Mbps có hạn chế hơn về che phủ và di động. Nhu cầu mô hình thương mại sẽ xác định các tốc độ bit dữ liệu thực tế. Các hệ thống tế bào khác nhau đưa ra tại các mức di động khác nhau. Giới thiệu các dịch vụ mới mềm dẻo hơn. DS-CDMA đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các mục tiêu này.
2.2. Chất lượng dịch vụ QoS và hiệu quả sử dụng phổ
Các dịch vụ khác nhau yêu cầu QoS khác nhau. Hiệu quả sử dụng phổ cao là một yếu tố quan trọng. DS-CDMA cung cấp khả năng đáp ứng các yêu cầu QoS khác nhau và sử dụng phổ tần hiệu quả hơn so với các công nghệ khác. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các hệ thống mạng di động thế hệ mới.
III. Kỹ Thuật DS CDMA Cách Tối Ưu Hiệu Suất Mạng Di Động
Mô hình hệ thống bắt đầu từ nguyên lý của hệ thống CDMA. Giả sử có N nguồn phát cùng chia sẻ giao diện không gian chung. Bất kỳ nguồn nào, chẳng hạn nguồn thứ i, muốn gửi dữ liệu. Sпi mô tả một tín hiệu băng hẹp cần gửi đi. Một xử lý trải phổ i() sẽ biến đổi tín hiệu băng hẹp tại điểm a thành tín hiệu băng rộng tại điểm b, điểm b là đầu ra của antenna phát. Trong kênh truyền, tín hiệu băng rộng Swi được trộn với N-1 tín hiệu băng rộng khác và với nhiễu. Một xử lý thu hẹp phổ i() tại bộ thu biến đổi thông tin băng rộng Swi thành tín hiệu băng hẹp Sпi và giữ các tín hiệu băng rộng khác vẫn ở lại trong vùng băng rộng.
3.1. Mô hình hệ thống truyền thông trải phổ CDMA
Tỷ lệ phổ của các tín hiệu băng rộng và phổ nhiễu trong độ rộng băng thông thông tin cộng lên như nhiễu cho Sпi. Trên kênh, tất cả các tín hiệu băng rộng tạo ra tín hiệu băng rộng tổng cộng ∑Swk. Tại bộ thu, xử lý thu hẹp phổ được thực hiện: i-1(∑Swk) = Sпi + ∑ Swik. Hàm lọc thông dải F biến đổi phương trình này thành F(i-1(∑Swk)) = Sпi + ∑ Sгik. Với kết quả này tín hiệu gốc Sпi được tạo lại. Tuy nhiên cũng có thành phần nhiễu cộng mức thấp ∑ Sгik.
3.2. Cấu trúc bộ phát và bộ thu trong DS CDMA
Cấu trúc bộ phát bao gồm bộ trải phổ (bộ nhân) và bộ điều chế. Nguồn dữ liệu Sп(t) là một tín hiệu lưỡng cực có giá trị ±1 trong một chu kỳ bit Tb. Nó được nhân với tín hiệu trải phổ tần số cao hơn c(t), cũng là một tín hiệu lưỡng cực với giá trị ± 1. Một ví dụ trải phổ được chỉ ra trong hình 4. Tb là bội số của Tc. Hệ số nhân thực tế là độ dài mã. Trong ví dụ này độ dài mã là 12. Sc(t) là một tín hiệu băng rộng trong khi đó tín hiệu gốc Sп(t) là một tín hiệu băng hẹp. Cấu trúc bộ thu thực hiện chuyển ngược lại cái mà bộ phát thực hiện. Nó thu hẹp phổ và giải điều chế tín hiệu thu được. Nó cũng nên có một khối thực hiện đồng bộ.
IV. Điều Khiển Công Suất Yếu Tố Quan Trọng Trong DS CDMA
Điều khiển công suất là vấn đề được quan tâm trong luận văn này. Trong tuyến lên (từ máy di động tới trạm gốc), tín hiệu thu được từ một thuê bao gần sẽ mạnh hơn tín hiệu thu được từ một thuê bao ở xa. Đây là một vấn đề, bởi vì thuê bao gần sẽ gây nhiễu cao cho tín hiệu của thuê bao ở xa. Điều này được gọi là hiệu ứng xa-gần. Để tránh điều này, điều khiển công suất nên được ứng dụng để công suất thu được trung bình từ tất cả thuê bao là như nhau. Trên đường xuống, vì tất cả các tín hiệu lan truyền qua cùng một kênh, chúng được thu bởi trạm di động với công suất ngang nhau. Vì vậy, điều khiển công suất để loại bỏ hiệu ứng xa gần là không cần thiết.
4.1. Hiệu ứng xa gần và giải pháp điều khiển công suất
Tuy nhiên điều khiển công suất có thể được ứng dụng để tránh nhiễu giữa tế bào này với các tế bào lân cận. Để bổ sung thêm cho việc tránh nhiễu có thể điều khiển công suất để bù vào mức mất mát của tín hiệu. Cho rằng tín hiệu sẽ suy yếu một cách rõ rệt, nên nó có thể chuyển kênh fading thành kênh nhiễu trắng theo luật Gauss (AWGN). Hơn nữa, điều khiển công suất được sử dụng để giảm ảnh hưởng các hiệu ứng màn chắn (từ các vật cản nằm trên đường truyền giữa trạm gốc và trạm di động) và đảm bảo năng lượng phát thu tại thuê bao đạt mức tối thiểu.
4.2. Các kiểu điều khiển công suất Vòng hở và vòng kín
Có hai kiểu điều khiển công suất: Điều khiển công suất mạnh hở (Open-loop Power Control, hay điều khiển độ lợi tự động). Trước khi trao đổi thông tin, trạm di động giám sát công suất tổng cộng nhận được từ trạm gốc. Công suất đó cung cấp một thông báo khả năng liệu có dừng trao đổi của mỗi trạm di động hay không. Trạm di động điều chỉnh công suất phát để nó tỷ lệ nghịch với công suất tín hiệu tổng cộng mà nó thu được. Nó có thể là cần thiết để điều khiển công suất tốt cho một dải động lên đến 80 dB. Điều khiển công suất vòng kín (Closed Loop Power Control) là một phương pháp điều khiển công suất dài hạn hiệu quả hơn. Trạm gốc cung cấp phản hồi liên tục cho mỗi trạm di động để trạm di động thay đổi công suất tương ứng.
V. Thuộc Tính DS CDMA Ưu Điểm Vượt Trội Trong Mạng Di Động
Nếu có nhiều thuê bao trong kênh, thì sẽ có nhiều tín hiệu dãy trực tiếp DS chồng chất theo cả thời gian và tần số. Cho rằng các tương quan chéo giữa mã của thuê bao mong đợi và các thuê bao khác là nhỏ, công suất nhiễu tại đầu ra của bộ thu sẽ nhỏ hơn nhiều công suất tín hiệu mong muốn. Một ví dụ về khả năng đa truy cập kiểu kỹ thuật dãy trực tiếp DS-CDMA được chỉ ra trong hình 7. Nếu có nhiễu chủ động băng hẹp trên kênh, thì nhiễu này sẽ bị loại bỏ nhờ khối khử phổ hẹp tại bộ thu. Khối khử hẹp phổ chuyển dữ liệu thuê bao băng rộng thành dạng băng hẹp. Tuy nhiên, vì xử lý khử hẹp, thực tế là phép nhân, giống như xử lý trải phổ, nên nó đã trải tín hiệu nhiễu băng hẹp ra. Do vậy, ảnh hưởng của dữ liệu nhiễu bị giảm.
5.1. Khả năng đa truy cập và chống nhiễu băng hẹp
Khả năng chống nhiễu của CDMA được chỉ ra trong hình 8. Độ lợi xử lý Ǥρ cho phép đánh giá có bao nhiêu tín hiệu nhiễu bị triệt. Nếu mức nhiễu là quá cao, lược đồ được chỉ ra trong hình 8 có thể không đủ để khử ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu. Trong trường hợp này, xử lý lọc băng chặn dưới nên được áp dụng trước khi khử hẹp phổ. Điều này có thể, nếu băng tần hẹp của tín hiệu nhiễu được biết bởi đầu thu. Đáng tiếc, khi bộ lọc này được áp dụng, tín hiệu của thuê bao mong muốn cũng bị mất mát. Điều này có thể phải gánh chịu nếu tỷ lệ băng tần này với băng tần của thuê bao băng rộng tổng cộng là nhỏ hơn 1/5.
5.2. Loại bỏ nhiễu đa đường và các ưu điểm cài đặt
Một cách lý tưởng, dãy mã tốt cần có các thuộc tính sau: Hầu như không có tương quan chéo giữa các mã này. Đây là chìa khóa của hệ thống CDMA, dựa trên các yêu cầu của chúng ta khi thảo luận khả năng đa truy cập và loại bỏ nhiễu băng hẹp. Thuộc tính tự tương quan tốt có thể giải thích rằng dãy mã không nên có khả năng tự tương quan ngoài khoảng [-Tc,Tc] với Tc là khoảng chip. Nếu thuộc tính thứ hai thỏa mãn, thì bộ thu xử lý các tín hiệu vào theo các đường khác bị trễ hơn 2Tc như các tín hiệu nhiễu và loại bỏ chúng. Các ưu điểm cài đặt bao gồm tín hiệu được mã hóa được tạo dễ dàng vì nó chỉ cần một phép nhân, tạo sóng mang là đơn giản, chỉ cần một tần số sóng mang và không đồng bộ là cần thiết cho nhiều thuê bao.
VI. Tách Tín Hiệu Đa Thuê Bao và Chuyển Giao Mềm Trong DS CDMA
Các bộ thu CDMA sử dụng bộ thu RAKE coi tín hiệu của các thuê bao khác như nhiễu. Điều này có nghĩa khi một vài thuê bao khác thâm nhập vào mạng, chất lượng dịch vụ suy giảm. Tuy nhiên trong các bộ thu tối ưu, tất cả các tín hiệu sẽ bị tách cùng nhau và các tín hiệu nhiễu bị loại bỏ. Điều này có thể được dựa trên vì các thuộc tính tương quan đã biết và cũng nói lên rằng có thể làm chủ được nhiễu. Tách tín hiệu đa thuê bao làm giảm ảnh hưởng nhiễu MAI (multiple access interference) và vì vậy giảm dung lượng. Bên cạnh đó, nó giúp giải quyết bài toán gần-xa nhờ việc tách tín hiệu mang công suất cao gần với trạm gốc và loại bỏ từ tín hiệu vào. Tuy nhiên, điều này là rất phức tạp và thực tế không thể thiết lập được.
6.1. Bộ thu khử nhiễu và giảm ảnh hưởng nhiễu MAI
Vì vậy một vài bộ thu kèm các điều kiện tối ưu (suboptimum) được sử dụng. Một trong chúng là bộ thu khử nhiễu. Nó đánh giá MAI và trừ bỏ khỏi tín hiệu thu được. Trong các hệ thống tế bào dùng công nghệ FDMA, các tế bào lân cận sử dụng các tập tần số khác nhau. Khi công suất tín hiệu thu của một đơn vị di động từ một trạm gốc lân cận vượt quá công suất tín hiệu trạm gốc của tế bào hiện thời theo một ngưỡng nào đó, đơn vị di động dừng trao đổi với trạm gốc hiện thời và kết nối tới trạm láng giềng. Điều này được gọi là chuyển giao cứng (hard handover).
6.2. Chuyển giao mềm và lợi ích trong hệ thống CDMA
Trong hệ thống CDMA, các tế bào lân cận sử dụng cùng một băng tần. Nếu chuyển giao cứng được sử dụng, điều này sẽ gây ra nhiễu dư thừa và giảm hiệu suất bởi vì các tín hiệu đến từ các trạm gốc khác nhau có độ lớn có thể so sánh được với trạm gốc hiện thời. Thay cho điều này, phương pháp chuyển giao khác là chuyển giao mềm được sử dụng. Trong phương pháp này, đơn vị di động bước vào trạng thái chuyển giao mềm khi độ lớn tín hiệu của tế bào lân cận vượt quá ngưỡng nào đó nhưng vẫn dưới mức của trạm hiện thời. Trong trạng thái chuyển giao mềm, trạm di động được phép kết nối tới cả hai trạm và công suất phát của nó được điều khiển bởi trạm gốc có độ lớn tín hiệu cao hơn.
