CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA 1.1 Sự phát triển của công nghệ CDMA trong Thông tin di động. Thông tin di động ngày càng đóng góp vai trò quan trọng trong đời sống con người. Đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ truy nhập phân chia theo tần số (FDMA).
Tiếp theo là thế hệ thứ hai và hiện nay là thế hệ thứ ba đang hoạt động. Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến nói chung và thông tin di động nói chung. Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu suất cho người dùng. Tùy thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho các người dùng mà các công nghệ đa truy nhập được phân chia thành: 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), đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA).
Các hệ thống Thông tin di động mới sử dụng kết hợp cả bốn công nghệ đa truy nhập này để phân bổ hiệu quả nhất tài nguyên cho người dùng. Trong đó, công nghệ đa truy nhập theo mã có nhiều ưu điểm vượt trội trở thành công nghệ đa truy nhập chính. Trong vòng chưa đầy mười năm, thuê bao di động tế bào đã lên tới con số hàng trăm triệu trên khắp thế giới đặc biệt là tại Bắc Mỹ.2 Các hệ thống CDMA 1.1 Các phần tử cơ bản trong hệ thống CDMA - Bộ thu đa đường (Rake reciever) Tín hiệu phát đi luôn bị phản xạ bởi các vật cản như các toà nhà cao tầng, núi đồi… do đó từ một tín hiệu phát ban đầu bộ thu sẽ nhận được một số tín hiệu bị trễ các khoảng thời gian khác nhau. Nếu các tín hiệu có độ trễ cách nhau một khoảng thời gian lớn hơn một chip, bộ thu có thể loại bỏ tín hiệu trễ để thu được tín hiệu cần thiết.
Nếu ta coi một tín hiệu đa đường là tín hiệu mang tin thì các tín hiệu đa đường còn lại có thể coi là các thành phần nhiễu và được nén nhờ tăng ích xử lý. Nghiên cứu hệ thống thu phát trong thông tin di động 3G và mô phỏng trên Matlab 14 Tuy nhiên hệ thống CDMA tận dụng các tín hiệu đa đường này bằng cách kết hợp chúng lại để cải thiện mức tín hiệu thu thông qua các bộ thu đa đường Rake reciever. Một bộ thu đa đường bao gồm các bộ tương quan, mỗi bộ tương quan nhận một tín hiệu đa đường. Sau khi nén phổ bởi các bộ tương quan, các tín hiệu sẽ được kết hợp lại với nhau theo nguyên tắc đa số.
Vì các tín hiệu đa đường có mức độ fading độc lập nhau nên khi kết hợp lại thì trật tự phân tập và hiệu quả của hệ thống sẽ tăng lên rõ rệt. a(t-τ1) Binary data τ a 11 a1 modulator τ a2 Demod a2 a(t-τ2) τ aa33 a3 a(t-τ3) Code generator Hình 1.1: Mô phỏng bộ thu đa đường Hình vẽ trên mô tả nguyên tắc của bộ thu đa đường. Sau khi trải phổ và điều chế, tín hiệu được phát đi và truyền qua các kênh đa đường. Các kênh này được đặc trưng bởi độ trễ τ và độ suy hao a, bộ thu đa đường được hình thành từ nhiều đầu thu, mỗi đầu thu nhận một tín hiệu đa đường.
Tại mỗi đầu thu, tín hiệu được tương quan với mã trải phổ, mã này được đồng bộ về thời gian với độ trễ của tín hiệu đa đường. Sau khi né phổ tín hiệu được đánh giá theo nguyên tắc tổng hợp đa số. Do thiết bị đầu cuối (MS) di chuyển, môi trường xung quanh sẽ thay đổi, vì vậy cần phải tính toán liên tục các tham số kênh đa đường. Nghiên cứu hệ thống thu phát trong thông tin di động 3G và mô phỏng trên Matlab 15 - Điều khiển công suất (Power control) Vấn đề điều khiển công suất cho đường lên của hệ thống DS-CDMA là một vấn đề rất đáng quan tâm.
Vấn đề này nảy sinh là do nhiễu đa truy cập. Tất cả các MS trong hệ thống DS-CDMA phát thông tin ở cùng một thời gian và trong cùng một dải tần, vì vậy tất yếu sẽ gây nhiễu cho nhau. Do cơ chế truyền dẫn, mức tín hiệu nhận được từ một thuê bao ở gần trạm gốc sẽ lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu nhận được từ các MS khác ở gần vùng biên giới của ô do đó MS ở gần. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng gần xa.
Để đạt được dung lượng tối đa của hệ thống, tất cả các tín hiệu phát từ MS phải được trạm gốc thu với cùng một mức công suất trung bình. Một giải pháp cho vấn đề này là thực hiện điều khiển công suất của các MS tương ứng khoảng cách MS đến trạm gốc. Đối với đường xuống, tất cả các tín hiệu đều được phát đi qua cùng một kênh nên các MS sẽ cùng nhận được một mức công suất thu như nhau. Vì vậy không cần thiết phải thực hiện điều khiển công suất đường xuống giải quyết vấn đề gần - xa.
Tuy nhiên, việc điều khiển công suất ở đây lại cần thiết để giảm mức nhiễu đối với các ô lân cận và triệt nhiễu do các ô này gây ra. Trường hợp xấu nhất xảy ra khi MS vài khoảng viên giới của 3 ô lân cận. Có hai phương pháp điều khiển công suất: Điều khiển vòng mở và vòng đóng. Phương pháp điều khiển công suất vòng mở đo tín hiệu nhiễu trong kênh và điều chỉnh công suất phát tương ứng.
Tuy nhiên, ảnh hưởng của fading nhanh đối với đường lên và xuống là khác nhau nên phương pháp này chỉ điều khiển công suất phát một cách tương đối. Do đó cần sử dụng phương pháp vòng đóng, phương pháp này thực hiện đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu và gửi lệnh điều khiển công suất đến phía phát bên kia để điều chỉnh mức phát. - Chuyển giao mềm (soft handover) Trong quá trình chuyển giao mềm, MS được nối với hai hay nhiều trạm gốc cùng một lúc. Chuyển giao mềm được sử dụng trong CDMA để giảm mức nhiễu tới các ô khác và tạo ra sự liên tục trong quá trình đàm thoại khi người sử dụng di chuyển từ ô này sang ô khác, chuyển giao mềm hơn (softer handover) là việc Nghiên cứu hệ thống thu phát trong thông tin di động 3G và mô phỏng trên Matlab 16 chuyển giao giữa hai sector của cùng một ô.
Trong hệ thống FDMA hoặc TDMA, các ô lân cận sử dụng các tần số các tần số khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh, việc sử dụng lại tần số chỉ áp dụng đối với các ô không lân cận nhau, đối với CDMA nhờ tác dụng của tăng ích xử lý nên các ô lân cận có thể sử dụng chung một dải tần số. Tức là CDMA có hệ số sử dụng lại tần số bằng 1. Thông thường MS di động thực hiện việc chuyển giao cường độ tín hiệu lân cận lớn hơn cường độ tín hiệu của ô đang phục vụ một mức ngưỡng nào đó. Phương pháp này gọi là chuyển giao cứng (hard handover).
Do các ô lân cận trong CDMA sử dụng cùng một tần số nên nếu thực hiện cách chuyển giao như trên sẽ gây ra mức nhiễu lớn cho các ô lân cận và giảm dung lượng hệ thống. Để tránh hiện tượng này cần chuyển giao ngay lập tức khi tín hiệu của ô lân cận lớn hơn tín hiệu của ô phục vụ. Tuy nhiên, giải pháp này không khả thi trong thực tế. Cơ chế chuyển giao phải luôn cho phép MS nối với một ô nào có công suất thụ được bởi MS là lớn nhất (tức là với suy hao đường truyền nhỏ nhất).
Trong quá trình chuyển giao mềm MS sẽ được kết nối với hai hoặc nhiều trạm gốc, công suất phát của MS sẽ được điều khiển bởi ô nào có cường độ tín hiệu lớn nhất. MS sẽ thực hiện chuyển giao mềm khi cường độ tín hiệu của ô lân cận vượt quá một mức ngưỡng nào đó nhưng vẫn thấp hơn cường độ tín hiệu của ô đang phục vụ. Ở đường lên, tín hiệu của MS có thể được thu bởi nhiều trạm gốc do hệ số sử dụng lại tần số bằng 1. Còn ở đường xuống MS sẽ kết hợp các tín hiệu thu được từ các ô như kết hợp các tín hiệu đa đường.
Đây là một lợi điểm của hệ thống CDMA được gọi là phân tập macro. Kênh pilot của đường xuống dùng để đo mức tín hiệu cho chuyển giao. Tuy nhiên, ở đường xuống, chuyển giao mềm gây ra nhiễu cho hệ thống vì trạm gốc phải tăng tín hiệu phát tới MS. MS có thể không nhận được tất cả năng lượng phát đi từ trạm gốc do hạn chế về số lượng đầu thu phân tập.
Vì vậy tăng ích của chuyển giao mềm ở đường xuống phụ thuộc và tăng ích tăng tích của phân tập macro và sự suy giảm hiệu suất do nhiễu tăng. Nghiên cứu hệ thống thu phát trong thông tin di động 3G và mô phỏng trên Matlab 17 Hình vẽ đó mô tả nguyên tắc chuyển giao mềm có sự tham gia của hai trạm gốc. Tín hiệu đường lên được thu bởi hai trạm gốc, sau khi giải điều chế sẽ được tổng hợp lại ở điểm kết hợp tín hiệu (thông thường là BSC). Tín hiệu đường xuống được phát bởi cả hai trạm gốc và MS thu các tín hiệu này như là các tín hiệu đa đường thông thường.
- Chuyển giao giữa hai tần số (interfrequency handover) Các hệ thống CDMA thế hệ thứ 3 sẽ có nhiều sóng mang ở mỗi ô và ô nào cần dung lượng lớn sẽ có nhiều tần số mang hơn ô khác. Hơn nữa, trong cấu trúc ô phân câp các microcell sẽ có tần số khác với các macrocell bao phủ chúng. Vi vậy cần phải có một phương pháp hiệu quả để chuyển giao giữa các ô này. MS cần phải đo tín hiệu và chất lượng của các tần số sóng mang khác, trong khi vẫn duy trì liên lạc với tần số sóng mang hiện tại.
Do quá trình trong CDMA là liên tục nên sẽ không có khoảng thời gian trống nào để MS có thể đo tín hiệu ở các tần số khác. Vì vậy phải thực hiện phương pháp nén và xây dựng bộ thu hai tần số để đo tín hiệu chuyển giao.