Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong giai đoạn cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, sự phát triển của các ngành Điện tử, Tin học và Viễn thông đã tạo ra những bước chuyển biến lớn trong đời sống xã hội và khoa học kỹ thuật. Lĩnh vực thông tin di động tế bào trở thành một trong những ngành công nghiệp có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao về cả dung lượng lẫn chất lượng truyền dẫn.

Tại Việt Nam ở thời điểm thực hiện đề tài, các mạng thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) sử dụng công nghệ GSM (dựa trên kỹ thuật ghép kênh kết hợp phân chia theo tần số và thời gian FDMA/TDMA) của các nhà mạng như MobiFone và VinaPhone đang dần bộc lộ tình trạng quá tải về mặt dung lượng kênh truyền vô tuyến. Các hạn chế cố hữu của công nghệ 2G về độ rộng băng thông khiến việc mở rộng các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện, truyền video và truy cập Internet gặp nhiều trở ngại. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) và khả năng ứng dụng thực tế trong thông tin di động là một đòi hỏi cấp bách nhằm nắm bắt các đặc tính kỹ thuật, hiệu quả kinh tế và xu thế phát triển viễn thông trên thế giới, phục vụ cho việc quy hoạch và triển khai mạng vô tuyến tại Việt Nam.

Đồ án tốt nghiệp xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử hình thành, kiến trúc mạng và nguyên lý vận hành của các hệ thống thông tin di động tế bào qua các thế hệ (1G, 2G, 3G).
  2. Khảo sát nguyên lý trải phổ vô tuyến và bản chất kỹ thuật của công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), bao gồm phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) và trải phổ nhảy tần (FH-CDMA).
  3. Phân tích chi tiết cơ chế chuyển giao mềm (Soft Handoff) trong hệ thống CDMA sử dụng tiêu chuẩn IS-95 (cdmaONE), so sánh với cơ chế chuyển giao cứng của các hệ thống tương tự và GSM.
  4. Nghiên cứu giải thuật và quy trình điều khiển công suất (Power Control) trong tiêu chuẩn IS-95, bao gồm điều khiển công suất tuyến lên (vòng hở, vòng kín gồm vòng trong và vòng ngoài) và điều khiển công suất tuyến xuống cho cả hai bộ tốc độ RS1 và RS2.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA theo tiêu chuẩn IS-95 (cdmaONE). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ sở lý thuyết truyền dẫn trải phổ, kiến trúc vô tuyến tế bào (gồm máy di động MS, trạm gốc BS/BTS, trung tâm chuyển mạch MSC) và các thông số kỹ thuật vận hành mạng vô tuyến. Nguồn tư liệu và kinh nghiệm thực tế được tác giả Phạm Anh Tuấn tổng hợp qua 5 năm đào tạo chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại Đại học Bách khoa Hà Nội cùng hơn một tháng thực tập chuyên môn tại Đài GSM thuộc Trung tâm Dịch vụ Viễn thông KV I, kết hợp khảo sát tình hình triển khai mạng CDMA của thương hiệu S-Fone tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và các mô hình nền tảng được đồ án sử dụng bao gồm:

  • Lý thuyết mạng tế bào (Cellular Concept): Khởi nguồn từ các nghiên cứu của Bell Labs cuối thập niên 1940, sử dụng các cell diện tích nhỏ với máy phát công suất thấp để tái sử dụng tần số vô tuyến.
  • Lý thuyết thông tin Shannon và lý thuyết Nyquist: Cơ sở toán học cho việc mở rộng băng thông truyền dẫn nhằm hạ thấp mật độ phổ công suất, tối thiểu hóa công suất phát yêu cầu và chống hiện tượng fading đa đường.
  • Lý thuyết trải phổ vô tuyến: Khảo sát các kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (Direct Sequence - DS), trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping - FH gồm Fast FH và Slow FH), cùng các mô hình lai ghép (FH/DS, TH/FH, TH/DS).
  • Mô hình kiến trúc mạng di động tế bào: Cấu trúc phân tầng gồm Trạm di động (Mobile Station - MS), Trạm gốc (Base Station - BS / Base Transceiver Station - BTS) và Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động (Mobile Switching Center - MSC), kết nối tới mạng điện thoại công cộng PSTN hoặc ISDN.
  • Các tiêu chuẩn công nghệ viễn thông: Tiêu chuẩn thế hệ 1G (AMPS của AT&T và Motorola dải 850 MHz, TACS, NMTS, NAMTS); tiêu chuẩn thế hệ 2G (GSM, IS-54, JDC); tiêu chuẩn thế hệ 3G (Qualcomm CDMA, cdmaONE IS-95, định hướng CDMA2000, UTRAN); tiêu chuẩn bảo mật và xác thực EIA/TIA/IS-54-B và thuật toán mã hóa DES.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả triển khai trong đồ án:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các khái niệm, sơ đồ khối chức năng của máy thu/phát trải phổ, bộ thu RAKE, bộ tạo mã giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-random Noise) và hàm trực giao Walsh.
  • Phương pháp so sánh kỹ thuật: Đối chiếu các đặc tính dung lượng, hiệu quả phổ tần và khả năng chống can nhiễu giữa ba phương thức đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA; so sánh cơ chế chuyển giao mềm (make-before-break) với chuyển giao cứng (break-before-make).
  • Phương pháp phân tích giải thuật và thông số kỹ thuật: Khảo sát các công thức toán học về công suất phát tuyến lên ($Tx$), hệ số tăng ích xử lý ($G_p$), tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ tạp âm ($E_b/N_0$), tỷ số $E_b/I_t$ và tỷ lệ lỗi khung (FER) trong quá trình điều khiển công suất.

Nguồn tài liệu tham khảo chính của khóa luận gồm:

  1. Garg, IS-95 and CDMA 2000, Prentice Hall PTR, 2000.
  2. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động thế hệ ba, Trung tâm Thông tin Bưu điện, Nhà xuất bản Bưu điện, 2002.
  3. Nhóm cán bộ kỹ thuật LGIC, Công nghệ CDMA và ATM, Nhà xuất bản Thanh Niên, 1996.
  4. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, cdmaOne và CDMA2000, Trung tâm Thông tin Bưu điện, Nhà xuất bản Bưu điện, 2003.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào

Chương này trình bày tiến trình lịch sử phát triển của mạng thông tin di động, từ các hệ thống điều chế tần số FM băng sóng 150 MHz sau Thế chiến 2 (1939-1945), hệ thống tự động tại Richmond - Indiana (1948), bước phát triển dải tần 30 kHz ở băng 450 MHz vào thập niên 1960, hệ thống cellular tương tự FM 850 MHz (tháng 12/1971), đến hệ thống thương mại AMPS ra đời năm 1983. Tác giả phân tích những hạn chế của thế hệ 1G (dung lượng thấp, không tương thích quốc tế) và thế hệ 2G (độ rộng dải thông hạn chế, không đáp ứng dịch vụ đa phương tiện, thiếu sự thống nhất chuẩn giữa Mỹ/Nhật dùng TDMA băng hẹp và châu Âu dùng TDMA băng rộng).

Nội dung trọng tâm của chương là so sánh nguyên lý hoạt động của ba kỹ thuật đa truy nhập cơ bản trong mạng tế bào:

Tiêu chí so sánh Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Nguyên lý phân chia Chia băng tần được cấp thành các kênh tần số rời rạc Chia mỗi kênh tần số thành các khe thời gian (time slots) Dùng chung toàn bộ dải tần và thời gian; phân biệt người dùng bằng mã giả ngẫu nhiên PN
Độ rộng băng thông kênh 30 kHz cho mỗi kênh tương tự (ví dụ mạng AMPS) 30 kHz chia sẻ cho 3 kênh số (Digital) Băng rộng tiêu chuẩn 1,25 MHz
Số lượng kênh khả dụng Băng tần 25 MHz chia thành 416 cặp tần số khả dụng Phục vụ số thuê bao gấp vài lần so với FDMA trên cùng băng thông Dung lượng lý thuyết gấp khoảng 20 lần so với FDMA
Độ phức tạp thiết bị Thiết bị đơn giản, giá thành thấp; cần máy thu/phát riêng cho mỗi kênh Phức tạp hơn; yêu cầu số hóa tiếng nói, bộ nhớ đệm và cân bằng tín hiệu Phức tạp; yêu cầu xử lý trải phổ, đồng bộ mã PN và điều khiển công suất nghiêm ngặt

Chương I cũng mô tả cấu trúc phần cứng cơ bản của mạng tế bào bao gồm Máy di động (MS - gồm khối thu/phát RF, anten, bộ điều khiển), Trạm gốc (BS - gồm bộ thu/phát RF, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu, nguồn) và Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động (MSC - quản lý cuộc gọi, tính cước và kết nối trung kế PSTN).

Chương II: Tổng quan công nghệ CDMA

Chương II đi sâu vào bản chất kỹ thuật của việc trải phổ tín hiệu và các đặc tính của hệ thống CDMA:

  • Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA): Tín hiệu băng tần gốc được nhân trực tiếp với chuỗi mã PN có tốc độ chip cao hơn nhiều lần tốc độ bit dữ liệu, làm giảm mật độ phổ công suất ($W/Hz$). Phía thu sử dụng giải điều chế nhất quán (như PSK) kết hợp hàm tương quan để nén phổ và khôi phục dữ liệu gốc. Ưu điểm là sơ đồ khối đơn giản, chỉ dùng một sóng mang; nhược điểm là khó khăn trong đồng bộ mã và bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng gần - xa.
  • Trải phổ nhảy tần (FH-CDMA): Tần số sóng mang thay đổi tuần hoàn theo quy luật của mã PN. Phân loại gồm nhảy tần nhanh (FFH - tốc độ nhảy tần lớn hơn tốc độ bit dữ liệu) và nhảy tần chậm (SFH). Độ tăng ích xử lý của hệ thống FH được xác định theo công thức: $$G_p = \frac{W}{B_d} = N \cdot \frac{\Delta f}{\Delta f} = N$$ Phía thu sử dụng $M$ bộ lọc thông dải và các mạch tách sóng đường bao để giải điều chế tín hiệu MFSK nhiều mức.
  • Các kỹ thuật phân tập trong CDMA:
    • Phân tập thời gian: Sử dụng bộ mã hóa xoắn, giải mã Viterbi và kỹ thuật xáo trộn dữ liệu (interleaving) để phân tán các lỗi chùm do vật cản; áp dụng lặp khung khi máy phát hoạt động ở tốc độ dữ liệu giảm trong khoảng lặng thoại.
    • Phân tập tần số: Mở rộng năng lượng tín hiệu trên băng rộng 1,25 MHz, giúp hạn chế hiện tượng fading lựa chọn tần số.
    • Phân tập không gian: Sử dụng nhiều anten thu tại trạm gốc và thiết lập các đường thu phát đồng thời từ nhiều trạm BS lân cận.
    • Phân tập đa đường (Bộ thu RAKE): Giải quyết hiện tượng phản xạ sóng từ các vật cản địa hình. Bộ thu RAKE chứa nhiều ngón thu (correlator fingers) để thu nhận các luồng tín hiệu trễ pha khác nhau, căn chỉnh lại thời gian và cộng đồng pha, biến năng lượng can nhiễu đa đường thành tín hiệu có ích.
  • Các ưu điểm vận hành:
    • Tích hợp bộ mã hóa/giải mã tiếng nói tốc độ biến đổi (Vocoder) hoạt động ở các mức 9600, 4800, 2400, 1200 bit/s. Khi người dùng ngừng nói hoặc lắng nghe, tốc độ giảm xuống 1200 bit/s. Với hệ số tích cực thoại thực tế khoảng 40%, dung lượng hệ thống tăng lên gần gấp đôi.
    • Sử dụng anten định hướng chia 3 sector ($120^\circ$) giúp giảm giao thoa can nhiễu xuống $1/3$, qua đó tăng dung lượng mạng lên xấp xỉ 3 lần.
    • Điểm làm việc của tỷ số $E_b/N_0$ yêu cầu ở mức thấp (tối thiểu bằng 6, trong khi hệ thống GSM yêu cầu 12,7 dB), giúp tăng diện tích vùng phủ sóng và kéo dài thời lượng pin cho thiết bị cầm tay.

Chương III: Chuyển giao mềm trong hệ thống CDMA dùng tiêu chuẩn IS 95 (cdmaONE)

Chương III phân tích sự khác biệt bản chất giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm:

  • Chuyển giao cứng (Hard Handoff): Áp dụng trong các hệ thống FDMA và GSM do các cell liền kề sử dụng các tần số vô tuyến khác nhau. Thiết bị di động bắt buộc phải cắt đứt kết nối vô tuyến với trạm gốc cũ trước khi bắt sóng và thiết lập kênh với trạm gốc mới (nguyên lý break-before-make), dẫn đến hiện tượng gián đoạn tín hiệu hoặc rớt cuộc gọi nếu kênh mới bị nghẽn.
  • Chuyển giao mềm (Soft Handoff): Áp dụng trong hệ thống CDMA IS-95 nhờ đặc tính toàn bộ các cell trong mạng đều dùng chung tần số 1,25 MHz. Thiết bị di động MS kết nối và truyền dữ liệu đồng thời với hai hoặc nhiều trạm BTS trước khi ngắt kết nối với trạm phát ban đầu (nguyên lý make-before-break).
  • Lợi ích kỹ thuật: Quá trình chuyển giao diễn ra liên tục, không gây ngắt quãng âm thanh; tín hiệu thu từ nhiều trạm gốc được máy thu MS và bộ chọn lọc/chuyển mã (TSB/MSC) tổng hợp để tạo thành hiệu ứng phân tập không gian, cải thiện chất lượng đường truyền tại khu vực biên vùng phủ sóng của các cell.

Chương IV: Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Chương IV là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, phân tích chi tiết cơ chế điều khiển công suất nhằm giải quyết hiệu ứng gần - xa (near-far effect) và cân bằng dung lượng mạng:

  1. Điều khiển công suất tuyến lên (Reverse Link Power Control):
  • Vòng hở (Open-loop Power Control): Máy di động MS tự ước lượng suy hao đường truyền bằng cách đo tổng công suất thu $Rx$ từ tất cả các trạm gốc, từ đó tính toán công suất phát yêu cầu ($Tx$): $$Tx = -Rx - K + (NOM_PWR - 16 \times NOM_PWR_EXT) + \text{Tổng số hiệu chỉnh thăm dò truy nhập}$$
    • Dải điều chỉnh của tham số $(NOM_PWR - 16 \times NOM_PWR_EXT)$ từ $-24\text{ dB}$ đến $+7\text{ dB}$ (đối với băng loại 0, $NOM_PWR_EXT = 0$ nên dải điều chỉnh là $-8\text{ dB}$ đến $+7\text{ dB}$).
    • Tham số công suất phát ban đầu $INIT_PWR$ nằm trong dải $-16\text{ dB}$ đến $+15\text{ dB}$ (giá trị danh định $0\text{ dB}$).
    • Bước tăng công suất thăm dò $PWR_STEP$ từ $0\text{ dB}$ đến $7\text{ dB}$ (độ chính xác yêu cầu $5\text{ dB}$ hoặc $20%$).
    • Quá trình thăm dò truy nhập (Access Probe): MS phát chuỗi thăm dò tối đa 16 probe trên kênh truy nhập, mỗi probe cách nhau khoảng chờ báo nhận $T_a$ và thời gian trễ lùi ngẫu nhiên (Backoff delay). Nếu không nhận được báo nhận từ BS, MS sẽ tăng công suất phát thêm một bước cho probe tiếp theo. Nhược điểm của vòng hở là thời gian đáp ứng chậm (~30 ms) và giả định đường truyền lên - xuống có tính tương hỗ hoàn toàn là không chính xác trong môi trường fading nhanh.
  • Vòng kín (Closed-loop Power Control): Khắc phục nhược điểm của vòng hở với tốc độ phản ứng 1,25 ms/lần:
    • Vòng trong (Inner Loop): Khung truyền dẫn 20 ms được chia thành 16 nhóm điều khiển công suất (PCG), mỗi nhóm kéo dài 1,25 ms. Trạm BS đo tỷ số $E_b/I_t$ thực tế trên từng PCG và so sánh với giá trị setpoint mục tiêu: nếu $E_b/I_t > \text{setpoint}$, BS gửi bit điều khiển bằng 1 (yêu cầu MS giảm $1\text{ dB}$); nếu $E_b/I_t < \text{setpoint}$, BS gửi bit điều khiển bằng 0 (yêu cầu MS tăng $1\text{ dB}$).
    • Vòng ngoài (Outer Loop - ROLPC): BS giám sát tỷ lệ lỗi khung (FER) thực tế. Nếu không có lỗi khung, BS giảm dần điểm đặt $(E_b/I_t)_{setpoint}$ theo bước nhỏ $a$ qua từng khung; nếu xuất hiện lỗi khung, BS lập tức tăng điểm đặt lên một lượng lớn. Công thức liên hệ bước điều chỉnh: $$Down_frr = \frac{rfer \times up_frr}{2}$$
  1. Điều khiển công suất tuyến xuống (Forward Link Power Control - FLPC): Mục tiêu là giảm mức can nhiễu giữa các ô lân cận và tối ưu hóa công suất phát của trạm gốc:
  • Bộ tốc độ 1 (Rate Set 1 - RS1): Dựa trên bản tin báo cáo đo lường công suất (PMRM) do MS gửi định kỳ sau mỗi chu kỳ $N = 80$ khung. Trạm gốc so sánh giá trị FER được báo cáo với các ngưỡng:
    • Nếu $FER < fer_small$: Trạm gốc giảm độ khuếch đại số một lượng $D$.
    • Nếu $fer_small \le FER \le fer_big$: Trạm gốc tăng độ khuếch đại số một lượng $U$.
    • Nếu $FER > fer_big$: Trạm gốc tăng mạnh độ khuếch đại số một lượng $V$.
    • Nếu trạm gốc không nhận được PMRM, bộ định thời $fpc_step$ (khoảng 1600 ms) chạy hết sẽ tự động giảm công suất phát đi lượng $D$.
  • Bộ tốc độ 2 (Rate Set 2 - RS2): Sử dụng trực tiếp 1 bit chỉ thị xóa (Erasure bit) trên kênh lưu lượng đường lên để thông báo tình trạng khung đường xuống ngay trước đó có bị lỗi hay không. Cơ chế này cho phép trạm gốc điều chỉnh công suất với chu kỳ 2 khung/lần (40 ms), phản ứng nhanh hơn cơ chế PMRM của RS1.

Các giá trị thông số điều khiển công suất tuyến xuống cho RS1 và RS2 được tổng hợp trong bảng sau:

Thông số kỹ thuật Phạm vi / Dải giá trị Giá trị đề xuất Ý nghĩa chức năng
FER đích (RS1 & RS2) $0,2% - 3%$ (RS1) / $0,2% - 6%$ (RS2) $1%$ Tỷ lệ lỗi khung mục tiêu đường xuống
Ngưỡng dưới $fer_small$ (RS1) $0,2% - 5%$ $2%$ Ngưỡng FER tối thiểu để bắt đầu tăng công suất $U$
Ngưỡng trên $fer_big$ (RS1) $2% - 10%$ $6%$ Ngưỡng FER tối đa để kích hoạt mức tăng công suất lớn $V$
Hệ số tăng $Up_adj$ (RS2) $1 - 50$ $15$ Lượng tăng khuếch đại số khi nhận chỉ thị bit xóa (lỗi khung)
Khuếch đại tối thiểu $Min_gain$ $34 - 50$ (RS1) / $30 - 50$ (RS2) $40$ (RS1) / $30$ (RS2) Giá trị khuếch đại số nhỏ nhất cho kênh lưu lượng
Khuếch đại tối đa $Max_gain$ $50 - 108$ (RS1) / $50 - 127$ (RS2) $80$ Giá trị khuếch đại số lớn nhất cho kênh lưu lượng
Khuếch đại danh định $Nom_gain$ $34 - 108$ (RS1) / $40 - 108$ (RS2) $57$ (RS1) / $80$ (RS2) Mức khuếch đại số mặc định khi thiết lập kênh
Định thời $fpc_step$ (RS1) $20 - 5000\text{ ms}$ $1600\text{ ms}$ Chu kỳ định thời giảm công suất khi không nhận được PMRM

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả cụ thể dựa trên việc tổng hợp các dữ kiện kỹ thuật có trong văn bản:

  • Hệ thống hóa các chỉ số dung lượng của công nghệ CDMA: Dung lượng lý thuyết cao gấp khoảng 20 lần so với FDMA; việc khai thác hệ số tích cực thoại 40% bằng bộ mã hóa Vocoder tốc độ biến đổi giúp tăng dung lượng thêm gần 2 lần; việc chia sector anten $120^\circ$ giúp giảm can nhiễu và tăng dung lượng lên xấp xỉ 3 lần.
  • Làm rõ tính ưu việt của chỉ số $E_b/N_0$ trong hệ thống CDMA với ngưỡng làm việc yêu cầu tối thiểu là 6, thấp hơn đáng kể so với mức 12,7 dB của mạng GSM, tạo điều kiện mở rộng cự ly phủ sóng và tối ưu hóa năng lượng phát của thiết bị di động.
  • Trình bày đầy đủ cấu trúc giải thuật điều khiển công suất vòng kín tuyến lên với chu kỳ lấy mẫu 1,25 ms (tần số 800 Hz) và bước điều chỉnh $1\text{ dB}$, giúp thiết bị đạt dải động công suất ít nhất $80\text{ dB}$ để loại bỏ hiện tượng gần - xa.
  • Đưa ra bảng chi tiết các thông số cài đặt điều khiển công suất đường xuống cho cả hai chuẩn RS1 và RS2, xác lập cơ chế phối hợp giữa báo cáo PMRM và bit xóa (Erasure bit).
  • Phản ánh tình hình thực tế mạng viễn thông tại Việt Nam: Ghi nhận việc mạng S-Fone triển khai công nghệ CDMA đã kết nối nhắn tin liên mạng thành công với MobiFone và VinaPhone, cung cấp dịch vụ truy cập Internet không bị nghẽn mạng so với mạng thử nghiệm GPRS của hệ thống GSM.

Đóng góp chính của đề tài là xây dựng tài liệu khảo cứu lý thuyết hoàn chỉnh về hệ thống cdmaONE (IS-95), làm rõ hai trụ cột công nghệ then chốt là chuyển giao mềm và điều khiển công suất, tạo cơ sở tài liệu cho việc tiếp thu và nghiên cứu sâu hơn về các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận các hạn chế và định hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Hạn chế: Đề tài chủ yếu dừng lại ở mức độ nghiên cứu và hệ thống hóa lý thuyết viễn thông, chưa có điều kiện thực hiện các bài đo kiểm thực nghiệm quy mô lớn hoặc lập trình mô phỏng các kịch bản lưu lượng thực tế do hạn chế về thời gian và cơ sở vật chất tiếp xúc. Nội dung nghiên cứu tập trung chủ yếu vào chuẩn 2G/2.5G IS-95, chưa phân tích toàn diện các phân lớp dịch vụ của tiêu chuẩn 3G.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Kiểm nghiệm thực tế các tham số điều khiển công suất và chuyển giao mềm trên các trạm BTS của mạng CDMA thương mại (như mạng S-Fone).
    2. Nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật tách sóng đa người dùng (Multi-user Detection) trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G / UTRAN) nhằm xử lý triệt để can nhiễu đa truy nhập mà không đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối từ khâu điều khiển công suất.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là nguồn tài liệu hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Mạng máy tính và Truyền thông dữ liệu đang tìm hiểu về nguyên lý trải phổ, kiến trúc vô tuyến tế bào và các chuẩn viễn thông di động.
  • Kỹ sư thiết kế, quy hoạch vô tuyến và tối ưu hóa mạng di động cần tham khảo bảng thông số kỹ thuật chi tiết về điều khiển công suất tuyến lên, tuyến xuống (RS1/RS2) và giải thuật chuyển giao mềm trong chuẩn IS-95.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất gồm: Chương III (cơ chế phân lập luồng tín hiệu trong chuyển giao mềm) và Chương IV (toàn bộ giải thuật toán học và quy trình thăm dò truy nhập của hệ thống điều khiển công suất).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế chuyển giao mềm trong hệ thống CDMA IS-95 hoạt động theo nguyên lý nào và khác gì so với chuyển giao của mạng GSM?
Chuyển giao mềm trong IS-95 hoạt động theo nguyên lý nối trước khi cắt (make-before-break). Nhờ tất cả các cell đều sử dụng chung một tần số sóng mang 1,25 MHz, máy di động MS có thể kết nối đồng thời với hai hoặc nhiều trạm gốc BS để tổng hợp tín hiệu trước khi ngắt liên lạc với trạm gốc cũ. Ngược lại, mạng GSM sử dụng chuyển giao cứng theo nguyên lý cắt trước khi nối (break-before-make), buộc MS phải ngắt kênh tần số hiện tại để chuyển sang kênh tần số khác ở cell mới, dễ gây gián đoạn âm thanh hoặc rớt cuộc gọi.

2. Tại sao việc sử dụng bộ mã hóa thoại tốc độ biến đổi (Vocoder) lại giúp tăng gần gấp đôi dung lượng mạng CDMA?
Bộ Vocoder trong CDMA có khả năng thay đổi tốc độ dữ liệu giữa các mức 9600, 4800, 2400 và 1200 bit/s tùy theo hoạt động đàm thoại (chu kỳ đánh giá 20 ms). Trong các cuộc gọi thông thường, thời gian người dùng thực sự nói chỉ chiếm khoảng 40% tổng thời gian cuộc gọi, thời gian còn lại là khoảng lặng hoặc lắng nghe. Khi tốc độ dữ liệu giảm xuống 1200 bit/s trong khoảng lặng, công suất phát trung bình của máy di động giảm xuống, dẫn đến mức can nhiễu giao thoa tổng thể trong toàn mạng giảm, cho phép dung lượng hệ thống tăng thêm gần 2 lần.

3. Quá trình điều khiển công suất vòng kín tuyến lên trong tiêu chuẩn IS-95 được thực hiện với tần suất và bước nhảy như thế nào?
Điều khiển công suất vòng kín tuyến lên được tổ chức theo từng khung 20 ms, chia thành 16 nhóm điều khiển công suất (PCG). Mỗi nhóm kéo dài 1,25 ms (tương ứng tần số cập nhật 800 lần/giây). Tại mỗi PCG, trạm gốc BS đo tỷ số $E_b/I_t$ nhận được; nếu lớn hơn điểm đặt mục tiêu, BS gửi bit điều khiển bằng 1 (MS giảm $1\text{ dB}$ công suất phát), nếu nhỏ hơn điểm đặt mục tiêu, BS gửi bit điều khiển bằng 0 (MS tăng $1\text{ dB}$ công suất phát).

4. Điểm khác biệt cốt lõi giữa cơ chế điều khiển công suất tuyến xuống của Bộ tốc độ 1 (RS1) và Bộ tốc độ 2 (RS2) là gì?
Bộ tốc độ 1 (RS1) dựa trên bản tin báo cáo định kỳ PMRM do máy di động gửi về trạm gốc sau mỗi chu kỳ $N = 80$ khung để trạm gốc điều chỉnh công suất tăng/giảm theo các ngưỡng $fer_small$ và $fer_big$. Trong khi đó, Bộ tốc độ 2 (RS2) sử dụng trực tiếp 1 bit chỉ thị xóa (Erasure bit) được chèn trên khung đường lên để báo hiệu ngay tình trạng khung đường xuống liền trước có bị lỗi hay không, giúp trạm gốc điều chỉnh công suất nhanh hơn với chu kỳ 2 khung một lần.

5. Bộ thu RAKE trong hệ thống CDMA đóng vai trò gì trong việc xử lý tín hiệu truyền đa đường?
Bộ thu RAKE sử dụng nhiều ngón thu độc lập để bắt các luồng sóng vô tuyến bị phản xạ trễ pha từ các vật cản địa hình khác nhau. Các luồng tín hiệu này được lưu giữ, dịch chỉnh thời gian cho khớp pha rồi cộng lại với nhau. Thay vì bị triệt tiêu do fading đa đường như trong các hệ thống băng hẹp, năng lượng của các đường phản xạ trong CDMA được cộng dồn lại để tăng cường tỷ số tín hiệu trên nhiễu, nâng cao chất lượng thu nhận cuộc gọi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Anh Tuấn chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận và kỹ thuật của hệ thống thông tin di động tế bào CDMA theo tiêu chuẩn IS-95 (cdmaONE). Trọng tâm nghiên cứu của đồ án đã phân tích sâu sắc hai ưu điểm kỹ thuật vượt trội của công nghệ CDMA là cơ chế chuyển giao mềm và giải thuật điều khiển công suất tuyến lên - tuyến xuống. Các nội dung khảo cứu, công thức tính toán và bảng thông số cấu hình trong đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên ngành viễn thông cũng như các kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến di động.