Luận văn nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA - Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA chi tiết về nguyên lý hoạt động, cấu trúc mạng, kỹ thuật trải phổ và ưu nhược điểm kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Chí Minh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Việt Hùng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2002
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA thế hệ mới

Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA đóng vai trò nền tảng trong sự phát triển của viễn thông hiện đại. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung phân tích cấu trúc mạng vô tuyến băng rộng. Hệ thống CDMA áp dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp. Phương thức này phân biệt các kênh liên lạc bằng chuỗi mã trực giao độc lập. Nhờ đó, nhiều thuê bao có thể phát tín hiệu đồng thời trên cùng một băng tần 1,23 MHz. Hiệu quả sử dụng tần số được nâng cao đáng kể so với kỹ thuật FDMA hay TDMA truyền thống. Công nghệ CDMA cung cấp khả năng tích hợp linh hoạt giữa dịch vụ thoại và truyền dữ liệu tốc độ cao. Chất lượng âm thanh duy trì ổn định. Hiện tượng nghẽn mạng giảm thiểu rõ rệt tại các khu vực đô thị mật độ cao. Mạng lưới vô tuyến bảo đảm liên lạc thông suốt nhờ cơ chế phân bổ tài nguyên thông minh. Việc nghiên cứu mô hình này tạo cơ sở khoa học vững chắc cho đào tạo kỹ thuật viễn thông chuyên sâu.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ CDMA

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã ra đời từ các ứng dụng quân sự bảo mật cao. Sau đó, công nghệ chuyển dịch mạnh mẽ sang lĩnh vực viễn thông dân sự thương mại. Vào cuối thế kỷ 20, thị trường chứng kiến sự cạnh tranh quyết liệt giữa tiêu chuẩn GSM và CDMA. Các tập đoàn viễn thông toàn cầu đầu tư nguồn lực lớn nhằm hoàn thiện giải pháp vô tuyến mới. Mạng CDMA nhanh chóng khẳng định vị thế vượt trội về khả năng chống can nhiễu. Băng thông vô tuyến được tối ưu hóa cho nhiều người dùng. Tại Việt Nam, nghiên cứu về chuẩn CDMA đánh dấu bước chuẩn bị kỹ thuật quan trọng cho giai đoạn hiện đại hóa mạng lưới thông tin.

1.2. Nguyên lý kỹ thuật trải phổ trực tiếp trong liên lạc

Nguyên lý cốt lõi của CDMA dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp. Tín hiệu gốc băng hẹp được nhân với một chuỗi giả ngẫu nhiên có tốc độ chip rất cao. Phổ tần tín hiệu sau điều chế mở rộng ra toàn bộ dải băng thông 1,23 MHz. Tại máy thu, bộ giải mã dùng chuỗi đồng bộ tương ứng để khôi phục thông tin ban đầu. Các tín hiệu không cùng mã sẽ bị xem như nhiễu nền và suy giảm năng lượng. Kỹ thuật này giúp hệ thống đạt độ bảo mật thông tin tối ưu. Khả năng chống nghe lén và kháng suy hao đa đường của đường truyền được gia tăng vượt bậc.

II. Phân tích thách thức kỹ thuật của thông tin di động CDMA

Hệ thống thông tin di động CDMA đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp trong quá trình vận hành thực tế. Vấn đề lớn nhất bắt nguồn từ hiện tượng hiệu ứng gần xa trên đường truyền hướng lên. Khi một máy di động ở gần trạm gốc phát công suất quá lớn, tín hiệu này sẽ lấn át sóng từ các thiết bị ở xa. Hậu quả là trạm gốc không thể nhận diện dữ liệu của người dùng vùng biên cell. Dung lượng toàn mạng bị suy giảm nghiêm trọng nếu thiếu thuật toán cân bằng. Ngoài ra, việc duy trì tính trực giao giữa các chuỗi mã trong môi trường vô tuyến phức tạp cũng gặp khó khăn. Hiện tượng phản xạ sóng tạo ra đa đường truyền tín hiệu gây trễ pha. Các tín hiệu phản xạ làm suy biến tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Dung lượng thuê bao của mạng CDMA không cố định mà biến thiên theo mức nhiễu tổng thể. Do đó, kỹ sư vận hành phải tính toán chính xác ngưỡng can nhiễu đa truy nhập để tránh sụp đổ vùng phủ sóng.

2.1. Hiệu ứng gần xa và suy hao truyền dẫn vô tuyến

Hiệu ứng gần xa là bài toán nghiêm trọng nhất trong mạng vô tuyến CDMA. Máy di động gần trạm phát có mức suy hao đường truyền nhỏ hơn nhiều so với máy ở xa. Tín hiệu công suất lớn sẽ tạo thành nguồn nhiễu mạnh đối với các tín hiệu yếu. Trạm gốc khó giải mã các khung tin có năng lượng thu dưới ngưỡng nhạy cảm. Thêm vào đó, địa hình đô thị gây ra hiện tượng che khuất và tán xạ bất định. Mức thu suy giảm đột ngột khiến liên lạc dễ gián đoạn. Việc duy trì tính đồng đều về năng lượng sóng tới trạm thu trở thành điều kiện tiên quyết để vận hành mạng.

2.2. Nhiễu đa truy nhập và giới hạn dung lượng vùng phủ

Dung lượng của một cell CDMA bị giới hạn trực tiếp bởi tổng công suất nhiễu nội bộ. Mọi thiết bị cùng phát sóng trên một dải tần đều góp phần làm tăng sàn nhiễu môi trường. Khi số lượng thuê bao hoạt động đồng thời vượt quá ngưỡng thiết kế, tỷ số sóng mang trên nhiễu giảm xuống dưới hạn mức cho phép. Tỷ lệ lỗi bit tăng vọt dẫn tới tình trạng rớt cuộc gọi liên tục. Hiện tượng co cụm ô sóng xảy ra khiến bán kính phục vụ bị thu hẹp đáng kể. Trạm thu không thể tách biệt mã thuê bao nếu mức nhiễu nền quá cao.

III. Giải pháp kỹ thuật nâng cao hệ thống thông tin di động CDMA

Nghiên cứu đề xuất đồng bộ các giải pháp công nghệ nhằm triệt tiêu nhiễu và mở rộng dung lượng. Trọng tâm cốt lõi là cơ chế điều khiển công suất phát đa cấp. Kỹ thuật này gồm hai phương pháp điều khiển mạch vòng hở và mạch vòng kín. Vòng kín thực hiện truyền bản tin điều chỉnh công suất với tần suất 1,25 mili giây một lần. Tín hiệu thu tại trạm gốc từ mọi thuê bao nhờ đó luôn đạt mức công suất đồng đều lý tưởng. Bên cạnh đó, hệ thống ứng dụng chuỗi giả ngẫu nhiên PN với đặc tính tự tương quan vượt trội. Phổ công suất tín hiệu được san phẳng đồng đều trên dải thông. Máy thu Rake đa ngón được triển khai để thu gom các thành phần tín hiệu đa đường. Tín hiệu thu trễ được giải mã song song rồi kết hợp nhất quán. Nhờ đó, hiện tượng fading chọn lọc tần số bị suy giảm tối đa. Các kỹ thuật phối hợp nhịp nhàng giúp mạng hoạt động bền bỉ, tiết kiệm điện năng thiết bị.

3.1. Cơ chế điều khiển công suất vòng hở và vòng kín

Cơ chế điều khiển công suất là giải pháp tiên quyết loại bỏ hiệu ứng gần xa. Trong mạch vòng hở, thiết bị di động tự đo tổng công suất thu từ trạm gốc để ước lượng suy hao đường truyền. Từ kết quả đó, thiết bị chủ động điều chỉnh mức phát ban đầu. Với mạch vòng kín, trạm gốc liên tục giám sát tỷ số tín hiệu trên nhiễu thực tế của kênh hướng lên. Trạm gửi các lệnh hiệu chỉnh công suất 1,25 mili giây một lần về máy di động. Bước chỉnh công suất linh hoạt với biên độ 1 dB giúp kiểm soát chính xác mức phát sóng.

3.2. Tối ưu mã giả ngẫu nhiên và hàm tự tương quan PN

Mã giả ngẫu nhiên PN đóng vai trò then chốt trong định danh kênh và phân tách tín hiệu. Chuỗi mã đạt chuẩn cần thỏa mãn các tiêu chí thống kê khắt khe về độ dài chuỗi bit và tính ngẫu nhiên. Hàm tự tương quan của chuỗi có đỉnh nhọn sắc nét tại vị trí gốc trễ bằng không. Các giá trị tương quan dịch thời gian duy trì ở mức tối thiểu để hạn chế xuyên âm. Mật độ phổ công suất sau biến đổi Fourier trải rộng trên toàn băng tần. Cấu trúc mã trực giao hỗ trợ trạm thu phân biệt chính xác từng thuê bao riêng lẻ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của thông tin di động CDMA

Công trình nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại giá trị học thuật và thực tiễn to lớn. Kết quả phân tích khẳng định tính ưu việt của công nghệ CDMA trong xử lý tín hiệu băng rộng. Nền tảng này mở đường cho sự phát triển vượt bậc của các thế hệ mạng 3G, 4G và 5G sau này. Các nguyên lý trải phổ, điều khiển công suất và lọc nhiễu số vẫn giữ nguyên giá trị cốt lõi trong hạ tầng viễn thông hiện nay. Đề tài cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Điện tử Viễn thông. Các mô hình tính toán kênh truyền hỗ trợ đắc lực cho công tác quy hoạch mạng vô tuyến tại các đô thị lớn. Việc nắm vững cấu trúc CDMA giúp nâng cao năng lực làm chủ công nghệ viễn thông tiên tiến. Đây là bước đệm quan trọng thúc đẩy chuyển đổi số và phát triển kinh tế tri thức.

4.1. Đóng góp học thuật đối với đào tạo ngành viễn thông

Đề tài tốt nghiệp cung cấp cái nhìn toàn diện về lý thuyết trải phổ và xử lý tín hiệu số. Tài liệu hệ thống hóa các khái niệm trừu tượng về chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN và điều khiển vô tuyến. Sinh viên ngành Điện tử Viễn thông có thể tiếp cận kiến thức chuẩn mực thông qua hệ thống dẫn chứng cụ thể. Đề tài đóng góp nguồn tư liệu giảng dạy thực nghiệm giá trị cho các phòng thí nghiệm viễn thông. Quá trình phân tích chuyên sâu khuyến khích tinh thần nghiên cứu và làm chủ công nghệ của đội ngũ kỹ sư tương lai.

4.2. Khả năng kế thừa và triển khai trong mạng di động mới

Các kỹ thuật nền tảng của CDMA đặt viên gạch quan trọng cho sự ra đời của WCDMA và CDMA2000. Dù công nghệ mạng đã phát triển lên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong 4G và 5G, triết lý quản lý tài nguyên vô tuyến vẫn được kế thừa. Các thuật toán điều khiển công suất vòng kín và kỹ thuật lọc thích nghi tiếp tục được tối ưu hóa. Nghiên cứu hệ thống CDMA giúp kỹ sư hiểu sâu sắc các cơ chế truyền dẫn chống nhiễu trên kênh truyền đa đường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vào những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ngành thông tin di động toàn cầu chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc với tỷ lệ thâm nhập thuê bao đạt trên 15% tại các quốc gia phát triển như Úc, Nhật Bản, Hoa Kỳ và đạt mức 40% tại các quốc gia trên bán đảo Scandinavia. Cùng thời điểm này, sự bùng nổ của mạng Internet và các dịch vụ thư điện tử bắt đầu tác động mạnh mẽ đến hạ tầng viễn thông tại Việt Nam khi Internet chính thức được cấp phép đưa vào sử dụng. Đứng trước nhu cầu hội tụ đa phương tiện và truyền tải lưu lượng số liệu tốc độ cao, các công nghệ đa truy nhập truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất sử dụng phổ tần. Sự xuất hiện của công nghệ thương phẩm Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access) đã tạo nên bước chuyển dịch lớn so với công nghệ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Mặc dù vấp phải nhiều tranh luận kỹ thuật từ các nhà khai thác mạng GSM tại các hội nghị quốc tế, CDMA đã nhanh chóng nhận được sự đầu tư nghiên cứu quy mô lớn từ các tập đoàn viễn thông hàng đầu nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA" do sinh viên Nguyễn Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Việt Hùng và Thầy Lê Minh Thành tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ ngày 04/11/2001 đến ngày 02/03/2002) tập trung giải quyết các nhiệm vụ khoa học sau:

1. Khảo sát nguyên lý và phân tích những hạn chế cốt lõi của các phương thức đa truy nhập truyền thống gồm FDMA (tiêu biểu là chuẩn tương tự AMPS) và TDMA về mặt dung lượng, tái sử dụng tần số và ảnh hưởng của pha-đinh đa đường.
2. Thiết lập cơ sở toán học cho kỹ thuật trải phổ thông qua giải tích không gian tín hiệu, tích vô hướng vector, lý thuyết tương quan tín hiệu và các tham số nhiễu trung bình.
3. Nghiên cứu cấu trúc và quy luật tạo các dãy mã trải phổ giả ngẫu nhiên (PN sequence), đặc tính chuỗi có chiều dài cực đại (m-sequence) và các phương thức điều chế số tương ứng.
4. Phân tích các vấn đề kỹ thuật chuyên sâu trong truyền dẫn trải phổ: khả năng chống can nhiễu, các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS), trải phổ nhảy tần (FH-SS), kỹ thuật bắt và bám đồng bộ tín hiệu, cùng chỉ tiêu xác suất lỗi bit (BER).
5. Khảo sát cấu hình phần cứng mạng tế bào CDMA và phân tích chi tiết cấu trúc giao diện vô tuyến trên cả đường lên (Reverse link) lẫn đường xuống (Forward link).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là nguyên lý kỹ thuật, cấu trúc toán học và kiến trúc hệ thống mạng thông tin di động tổ ong sử dụng kỹ thuật CDMA (trọng tâm là tiêu chuẩn CDMA IS-95). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các mô hình lý thuyết truyền sóng, giải tích toán học tín hiệu và cấu hình mạng viễn thông thế hệ thứ hai (2G/2.5G) cùng định hướng phát triển lên thế hệ thứ ba (WCDMA/3G) tại thời điểm đầu năm 2002.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên các khung lý thuyết, mô hình và công cụ giải tích toán học chuyên ngành vô tuyến:

• Lý thuyết thông tin Shannon: Sử dụng công thức dung lượng kênh kinh điển $C = BW \log_2(1 + S/N)$ làm thước đo so sánh giới hạn dung lượng giữa các phương thức đa truy nhập trong môi trường tạp âm trắng Gauss cộng (AWGN).
• Không gian tín hiệu metric: Mô hình hóa các tín hiệu thông tin dưới dạng các vector trong không gian số thực hoặc số phức $L^2(0,T)$, áp dụng tích vô hướng $\langle x, y \rangle$, chuẩn vector $|x|$, và các toán tử dịch vòng trái ($T_L$), dịch vòng phải ($T_R$) để mô tả chuỗi tuần hoàn và các pha tín hiệu.
• Lý thuyết tương quan tín hiệu: Định nghĩa và khảo sát giải tích hệ số tương quan $\rho_{12}$, hàm tương quan chéo $\phi_{xy}(\tau)$, hàm tự tương quan $\phi_{xx}(\tau)$, tương quan không tuần hoàn của chuỗi nhị phân $C_{uv}(l)$, tham số nhiễu trung bình $r(u,v)$ và tham số đỉnh tương quan $M(u,v)$.
• Tiên đề ngẫu nhiên Golomb đối với chuỗi giả ngẫu nhiên (PN): Ứng dụng các quy luật thống kê về tính cân bằng số bit 0 và 1, phân bố độ dài khoảng chạy (run length) và hàm tự tương quan hai mức để thiết kế bộ tạo mã trải phổ.
• Mô hình suy hao truyền sóng vô tuyến: Khảo sát mô hình suy hao công suất theo hàm lũy thừa bậc bốn của khoảng cách ($r^4$) trong môi trường mặt đất đa đường, kết hợp cấu trúc phân chia ô lục giác (cell) và anten định hướng ba cung (sector 120 độ).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích bản chất vật lý của kỹ thuật điều chế trải phổ, tổng hợp các công thức giải tích từ lý thuyết xử lý tín hiệu số và truyền thông vô tuyến.
• Phương pháp mô hình hóa và tính toán giải tích: Xây dựng các mô hình toán học để tính toán dung lượng kênh cho trường hợp cell đơn và hệ thống đa ô (mô hình ba lớp cell lân cận chịu ảnh hưởng can nhiễu đồng kênh).
• Phương pháp so sánh kỹ thuật: Đối chiếu định lượng các chỉ tiêu kỹ thuật giữa ba hệ thống FDMA, TDMA và CDMA dựa trên các tham số băng thông, hiệu suất phổ, độ phức tạp phần cứng và khả năng thích ứng với môi trường vô tuyến.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu là các tài liệu kỹ thuật chuẩn hóa quốc tế về hệ thống thông tin di động tế bào, các công trình nghiên cứu lý thuyết trải phổ của các tác giả chuyên ngành viễn thông và tài liệu kỹ thuật về tiêu chuẩn CDMA IS-95 tại thời điểm 2001–2002.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Mở đầu

Chương mở đầu tập trung làm rõ định nghĩa điều chế trải phổ: kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng dải thông phát $W$ (Hz) lớn hơn rất nhiều so với dải thông của tín hiệu thông tin hoặc tốc độ số liệu $R$ (bit/s), trong đó tỷ số $W/R$ được định nghĩa là hệ số dãn phổ hoặc độ lợi xử lý (processing gain $G_p$), thường nằm trong khoảng từ 30 dB đến 60 dB ($10^2$ đến $10^6$). Tác giả chỉ ra ba sai sót cơ bản của các giải pháp truyền thống (FDMA, TDMA) khi giả định các kênh điểm - điểm độc lập: (1) bỏ qua tính gián đoạn trong đàm thoại (hệ số tích cực thoại nhỏ hơn 0,5); (2) hạn chế trong việc tái sử dụng tần số theo vùng địa lý do can nhiễu đồng kênh; (3) sự suy giảm phẩm chất do pha-đinh đa đường trên các kênh băng hẹp.

Chương này trình bày chi tiết kỹ thuật FDMA áp dụng trong chuẩn AMPS (băng tần 25 MHz chia thành 832 kênh 30 kHz, mỗi hướng có 416 kênh, tái sử dụng tần số với hệ số $K=7$ khiến số kênh trên mỗi ô chỉ còn dưới 60 kênh, tỷ số $C/I$ chỉ đạt mức 18 dB) và kỹ thuật TDMA (chia kênh 30 kHz thành các khe thời gian số, đòi hỏi thời gian bảo vệ tối thiểu $G_{min} = 2R/c$ để triệt tiêu trễ truyền dẫn cực đại $T_d = 2R/c$). Cuối cùng, tác giả phân tích nguyên lý CDMA: sử dụng độ rộng kênh 1,23 MHz (kèm hai dải biên bảo vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz), tốc độ chip (chip rate) đạt 1,228 MHz, phân biệt thuê bao bằng mã giả ngẫu nhiên PN trực giao, cho phép tái sử dụng cùng một tần số tại mọi cell và mang lại khái niệm "dung lượng mềm" (soft capacity).

Tiêu chí so sánh	Hệ thống FDMA (Chuẩn AMPS)	Hệ thống TDMA	Hệ thống CDMA (Chuẩn IS-95)
Băng thông kênh con	30 kHz (băng hẹp)	30 kHz (chia khe thời gian)	1,23 MHz (trải phổ băng rộng)
Tốc độ chip (Chip rate)	Không áp dụng	Không áp dụng	1,228 MHz (1,228 Mcps)
Hệ số tái sử dụng tần số ($K$)	$K = 7$ (hoặc 4, 3)	$K = 7$ (hoặc 4, 3)	$K = 1$ (dùng lại ở mọi cell)
Yêu cầu thiết bị tại trạm gốc	Mỗi kênh cần 1 máy phát/thu riêng	1 bộ thu phát cho nhiều kênh thời gian	Dùng chung một bộ xử lý dải tần rộng
Hiện tượng trễ đa đường	Nhạy cảm với pha-đinh băng hẹp	Gây giao thoa giữa các ký tự	Tận dụng năng lượng đa đường qua tương quan
Dung lượng hệ thống	Thấp (giới hạn cứng theo tần số)	Trung bình (gấp vài lần FDMA)	Cao (gấp 10 đến 20 lần AMPS)

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II thiết lập nền tảng toán học giải tích tín hiệu thông qua biểu diễn vector và hàm tương quan. Tác giả định nghĩa tích vô hướng trong không gian $L^2(0,T)$ và chứng minh rằng năng lượng tín hiệu $E_s$ chính là bình phương khoảng cách Euclid $d^2(x_1, x_2)$ khi hai tín hiệu trực giao. Tiếp theo, tác giả khảo sát hệ số tương quan chuẩn hóa $\rho$ ($0 \le \rho \le 1$) và phân tích chi tiết sáu tính chất của hàm tự tương quan $\phi_{xx}(\tau)$ và hàm tương quan chéo $\phi_{xy}(\tau)$: tính đối xứng Hermite $\phi_{xx}(\tau) = \phi_{xx}^*(-\tau)$, tính chẵn đối với tín hiệu thực, giá trị tại gốc tọa độ tương ứng với toàn bộ năng lượng tín hiệu $\phi_{xx}(0) = E_s$, và bất đẳng thức cực trị $|\phi_{xy}(\tau)| \le \phi_{xx}(0)$.

Đối với chuỗi nhị phân $u, v \in {-1, +1}$, tác giả thiết lập công thức tính tương quan không tuần hoàn $C_{uv}(l)$, từ đó định nghĩa tham số nhiễu trung bình $r(u,v)$ phụ thuộc vào hàm tự tương quan không tuần hoàn: $$r(u) = 2\sum_{l=1-N}^{N-1} C_u^2(l) + \sum_{l=1-N}^{N-1} C_u(l) C_u(l+1)$$ Đồng thời, chương này xác lập tham số đỉnh tương quan $M(u,v) = \max |\theta_{uv}(l)|$ nhằm đánh giá biên độ nhiễu can thiệp giữa các chuỗi mã trong hệ thống đa truy nhập đa mã pha (SSMA).

Chương III: Mã trải phổ

Chương III đi sâu vào bản chất của hai phương pháp trải phổ chính: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) và Trải phổ nhảy tần (FH-SS). Tác giả làm rõ các lợi ích kỹ thuật của trải phổ bao gồm: phân kênh theo mã, khả năng chống giao thoa đa đường bằng cách loại bỏ các tín hiệu phản xạ có độ trễ lớn hơn thời gian độ rộng chip $T_c$, mật độ phổ công suất cực thấp tạo tính năng bảo mật và chống nghe trộm (tín hiệu chìm dưới mức tạp âm nền).

Phần trọng tâm của chương là lý thuyết tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên (PN) dựa trên thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (LFSR). Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên có chiều dài cực đại (m-sequence) chu kỳ $N = 2^r - 1$ (với $r$ là số tầng thanh ghi) được chứng minh là thỏa mãn ba tiên đề ngẫu nhiên của Golomb:

1. Đặc tính cân bằng: Số lượng bit 1 luôn là $2^{r-1}$ và số lượng bit 0 là $2^{r-1}-1$, chênh lệch đúng 1 bit trong một chu kỳ.
2. Đặc tính khoảng chạy (run length): Tổng số khoảng chạy trong một chu kỳ có tỷ lệ phân bố giảm dần theo lũy thừa của 2 (1/2 số khoảng chạy có độ dài 1; 1/4 có độ dài 2; 1/8 có độ dài 3...).
3. Đặc tính hàm tự tương quan: Hàm tự tương quan đạt cực đại $R(0) = 1$ và nhận giá trị $-1/N$ tại mọi độ lệch pha nguyên khác không.

Chương này cũng phân tích các định dạng mã điều chế số phổ biến trong viễn thông như NRZ, Manchester, FSK, PSK và xác định mật độ phổ công suất $G_{pn}(f)$ có dạng xung hàm $\text{sinc}^2$.

Chương IV: Các vấn đề trong thông tin

Nội dung chương IV tập trung khảo sát các hiện tượng can nhiễu và đánh giá hiệu năng của các hệ thống trải phổ trong môi trường truyền sóng thực tế:

• Khả năng thu chặn thấp (Low Probability of Intercept - LPI) và xác suất tách sóng thấp đối với các máy thu không chủ định nhờ mật độ phổ công suất được làm phẳng dưới ngưỡng tạp âm.
• Khả năng triệt tiêu can nhiễu đơn tần (single-tone jamming), tạp âm trắng Gauss (AWGN) và các dạng nhiễu phá có chủ đích thông qua bộ lọc nén phổ tại máy thu.
• Khảo sát các cấu hình điều chế trải phổ trực tiếp: BPSK, QPSK và điều chế dịch pha cực tiểu MSK (Minimum Shift Keying).
• Đánh giá chất lượng các hệ thống DS-SS dưới tác động của tạp âm trắng và nhiễu nghẽn.
• Khảo sát hệ thống trải phổ nhảy tần FH-SS với ba biến thể kỹ thuật: Nhảy tần nhất quán (Coherent FH), Nhảy tần không nhất quán (Non-coherent FH) và Nhảy tần nhanh (Fast Frequency Hopping - FFH).

Chương V: Vấn đề đồng bộ trong CDMA

Chương V trình bày bài toán đồng bộ thời gian – điều kiện tiên quyết để hệ thống CDMA hoạt động, bởi máy thu chỉ có thể giải trải phổ thành công khi mã PN nội bộ trùng khớp hoàn toàn về pha và thời gian với mã PN phát. Tác giả định nghĩa bài toán đồng bộ tối ưu và giải pháp đồng bộ tìm kiếm nối tiếp (serial search). Nội dung toán học của chương tập trung vào:

• Thiết lập công thức tính giá trị trung bình và phương sai của thời gian đồng bộ trung bình ($T_{sync}$).
• Cơ chế quét tuyến tính liên tục trên toàn bộ vùng bất định thời gian (vùng ngờ).
• Xác suất phát hiện đúng tín hiệu và xác suất báo động giả trong điều kiện môi trường có tạp âm trắng Gauss cộng (AWGN).

Chương VI: Bám đồng bộ

Sau khi quá trình bắt đồng bộ thô hoàn tất, hệ thống chuyển sang giai đoạn bám đồng bộ tinh (fine tracking) để duy trì độ lệch thời gian nằm trong phạm vi một phần nhỏ của chu kỳ chip ($T_c$). Chương VI phân tích:

• Nguyên lý bám tracking tối ưu của các tín hiệu băng rộng.
• Cấu trúc và phương trình đặc tính của Vòng bám khóa trễ không kết hợp (Non-coherent Delay-Lock Loop - DLL).
• Vòng bám tracking không kết hợp kiểu Tau-Dither (Tau-Dither Loop - TDL), phân tích các ưu điểm về mặt giảm thiểu độ phức tạp phần cứng (chỉ cần một nhánh tương quan duy nhất chuyển mạch thời gian thay vì hai nhánh tương quan sớm/trễ song song như DLL).

Chương VII: Đồng bộ tín hiệu trải phổ DS-SS và FH-SS

Chương VII hệ thống hóa quy trình đồng bộ hóa toàn diện cho hai kỹ thuật trải phổ chính:

• Đối với hệ thống DS-SS: Phân tích chi tiết quy trình hai bước gồm Bắt đồng bộ (Acquisition) để thu hẹp độ lệch pha mã về dưới một khoảng thời gian chip, sau đó kích hoạt vòng Bám đồng bộ (Tracking) nhằm khóa chính xác pha của chuỗi PN.
• Đối với hệ thống FH-SS: Phân tích cơ chế đồng bộ tần số nhảy, bao gồm bắt đồng bộ mẫu nhảy tần giữa máy phát - máy thu và kỹ thuật duy trì nhịp bám pha tần số trong điều kiện kênh truyền vô tuyến biến đổi.

Chương VIII: Xác suất bit lỗi của hệ thống

Chương VIII cung cấp các công thức giải tích đánh giá chất lượng truyền dẫn thông qua chỉ tiêu xác suất lỗi bit (BER - Bit Error Rate):

• Xác lập chỉ tiêu BER của hệ thống trong điều kiện chịu can nhiễu xấu nhất (worst-case interference/jamming).
• Tính toán chỉ tiêu BER trong điều kiện nhiễu trung bình (average interference condition) với sự tham gia của $N$ người dùng đồng thời.
• Phân tích mối quan hệ giữa tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất nhiễu ($E_b/N_0$), tăng ích xử lý ($G_p$) và xác suất lỗi bit của luồng dữ liệu sau khi giải điều chế.

Chương IX: Cấu hình mạng CDMA

Chương IX chuyển từ các nội dung toán học sang kiến trúc phần cứng và các thực thể mạng tế bào CDMA, bao gồm:

• Máy thuê bao di động (MS): Cấu trúc bộ biến đổi tương tự - số (A/D), bộ mã hóa tiếng nói, bộ điều chế trải phổ và mạch xử lý cao tần.
• Phân hệ phát - thu trạm gốc (BTS - Base Transceiver Station): Đảm nhận chức năng biến đổi tín hiệu băng gốc, trải phổ, điều chế vô tuyến và phát xạ qua hệ thống anten chia cung.
• Bộ điều khiển trạm gốc (BSC - Base Station Controller): Quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển phân bổ kênh và thực hiện các thuật toán chuyển giao (handoff).
• Bộ quản lý trạm gốc (BSM - Base Station Manager): Đảm trách chức năng vận hành, giám sát hoạt động và bảo trì hệ thống thiết bị trạm gốc.
• Bộ đăng ký định vị thường trú (HLR - Home Location Register): Cơ sở dữ liệu trung tâm quản lý thông tin thuê bao, tham số dịch vụ và phục vụ quản lý di động.

Chương X: Giao diện vô tuyến cho hệ thống CDMA

Chương X trình bày cấu trúc phân kênh trên giao diện không gian tần số 1,23 MHz. Cấu trúc kênh được phân định rõ ràng giữa hai hướng truyền dẫn:

• Kênh hướng xuống (Forward Link - từ trạm gốc đến máy di động): Tổng cộng 64 kênh mã trực giao được phân biệt bằng 64 mã Walsh trực giao (độ dài 64 chip):

  1. Kênh Pilot (Kênh hoa tiêu): Sử dụng mã Walsh $W_0$, phát liên tục với công suất cố định không chứa thông tin, đóng vai trò pha tham chiếu và giúp MS nhận dạng cell thông qua 512 giá trị độ lệch thời gian (time offset).
  2. Kênh Đồng bộ (Sync Channel): Sử dụng mã Walsh $W_{32}$, tốc độ 1200 bit/s, phát bản tin đồng bộ định thời và cấu hình hệ thống ngay khi máy di động bật nguồn.
  3. Kênh Nhắn tin (Paging Channel): Tối đa 7 kênh (sử dụng các mã Walsh từ $W_1$ đến $W_7$), tốc độ 9600 hoặc 4800 bit/s, chu kỳ khe từ 2 đến 128 giây, truyền 4 loại bản tin chính: tham số hệ thống, tham số truy cập, danh sách ô lân cận và danh sách kênh CDMA (tốc độ tối đa 1260 bản tin/giây).
  4. Kênh Lưu lượng hướng xuống (Forward Traffic Channel): Tối đa 63 kênh (tùy thuộc số kênh nhắn tin), truyền lưu lượng thoại/số liệu với các tốc độ khung biến đổi: 9600, 4800, 2400, 1200 bit/s (độ dài khung 20 ms). Kênh này tích hợp phân kênh điều khiển công suất vòng kín với chu kỳ truyền bản tin 1,25 ms/lần, cung cấp 16 mức điều chỉnh công suất phát của máy di động.

• Kênh hướng lên (Reverse Link - từ máy di động đến trạm gốc):

  1. Kênh Truy nhập (Access Channel): Tốc độ 4800 bit/s, tối đa 32 kênh truy nhập ứng với mỗi kênh nhắn tin ($0 \le N \le 32$), được MS sử dụng để gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi và đáp ứng lệnh gọi từ trạm gốc.
  2. Kênh Lưu lượng hướng lên (Reverse Traffic Channel): Truyền tiếng nói và dữ liệu thuê bao với các tốc độ động 9600, 4800, 2400, 1200 bit/s theo chu kỳ tích cực thoại, sử dụng mã trải phổ riêng biệt.

Thuộc tính kênh	Kênh Pilot	Kênh Đồng bộ	Kênh Nhắn tin	Kênh Lưu lượng hướng xuống	Kênh Truy nhập	Kênh Lưu lượng hướng lên
Hướng truyền	Xuống (BTS $\rightarrow$ MS)	Xuống (BTS $\rightarrow$ MS)	Xuống (BTS $\rightarrow$ MS)	Xuống (BTS $\rightarrow$ MS)	Lên (MS $\rightarrow$ BTS)	Lên (MS $\rightarrow$ BTS)
Số lượng kênh	1 kênh duy nhất	1 kênh duy nhất	Tối đa 7 kênh	Lên đến 63 kênh	Tối đa 32 kênh/paging	1 kênh/thuê bao
Tốc độ số liệu	Không có dữ liệu	1200 bit/s	9600 / 4800 bit/s	9600, 4800, 2400, 1200 bit/s	4800 bit/s	9600, 4800, 2400, 1200 bit/s
Đặc điểm mã hóa	Mã Walsh $W_0$	Mã Walsh $W_{32}$	Mã Walsh $W_1 - W_7$	Mã Walsh trực giao + ghép bit điều khiển	Mã PN định danh	Chuỗi PN dài của thuê bao
Chức năng chính	Định thời, nhận dạng ô	Cung cấp định thời khung	Gọi MS, gửi tham số mạng	Truyền lưu lượng thoại/số liệu	Gửi yêu cầu truy cập mạng	Truyền thoại/số liệu lên trạm gốc

Chương XI: Hướng phát triển công nghệ

Chương kết luận mở rộng khảo sát về các công nghệ thông tin di động thế hệ tiếp theo. Tác giả nhấn mạnh xu hướng chuyển dịch tất yếu từ CDMA băng hẹp (IS-95 với băng thông 1,25 MHz) sang CDMA băng rộng (WCDMA) thuộc tiêu chuẩn thế hệ thứ ba (3G). Hệ thống này cho phép tích hợp linh hoạt các dịch vụ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao, hỗ trợ truy cập Internet không dây và nâng cao dung lượng thoại trên cơ sở tối ưu hóa băng thông vô tuyến diện rộng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã trích xuất và hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu kỹ thuật với số liệu cụ thể:

• Xác lập mô hình dung lượng giải tích: Đối với hệ thống CDMA cell đơn có $N$ thuê bao cùng phát công suất $P$ trên băng thông $B$, dung lượng hệ thống khi coi $N-1$ thuê bao khác là tạp âm trắng đạt biểu thức: $$C = N B \log_2 \left[1 + \frac{P}{N_0 B + (N-1)P}\right]$$ Đối với hệ thống đa cell ba lớp, tác giả tính toán can nhiễu từ 6 cell thuộc lớp thứ nhất với hệ số suy giảm công suất $(1/\sqrt{3})^4 = 1/9$, 6 cell thuộc lớp thứ hai với hệ số $(1/3)^4 = 1/81$, và 6 cell thuộc lớp thứ ba với hệ số $(1/2\sqrt{3})^4 = 1/144$, khẳng định dung lượng của CDMA cao gấp 10 đến 20 lần so với chuẩn AMPS.
• Xác lập các tham số kỹ thuật chuẩn hóa IS-95: Độ rộng dải tần một kênh CDMA là 1,23 MHz (dải biên phòng vệ 0,27 MHz, tổng phổ cấp phát 1,77 MHz); tốc độ cắt chip rate đạt 1,228 MHz; độ dài khung lưu lượng chuẩn là 20 ms; chu kỳ điều khiển công suất vòng kín hướng lên đạt 1,25 ms (tần số 800 Hz) với 16 mức điều chỉnh; trạm gốc sử dụng 512 mức dịch thời gian của kênh pilot để nhận dạng ô.
• Đóng góp về mặt giải pháp kỹ thuật:
  • Làm rõ cơ chế "dung lượng mềm" (soft capacity): khi số lượng thuê bao tăng vượt ngưỡng, chất lượng cuộc gọi chỉ giảm dần đều do xác suất lỗi bit tăng nhẹ mà không gây hiện tượng nghẽn mạng cục bộ như FDMA hay TDMA.
  • Phân tích ưu thế của kỹ thuật "chuyển giao mềm" (soft handoff): máy di động duy trì liên lạc đồng thời với hai trạm gốc trước khi ngắt kết nối cũ, hạn chế rớt cuộc gọi và hỗ trợ cân bằng tải giữa các cell liền kề.

So với các nghiên cứu viễn thông trước đó chỉ tập trung vào truyền dẫn tương tự hoặc phân chia thời gian băng hẹp, công trình của tác giả đã tự hệ thống hóa một bức tranh kỹ thuật hoàn chỉnh về nguyên lý trải phổ trực tiếp kết hợp giải tích toán học tín hiệu, phân tích cấu trúc kênh và các vấn đề đồng bộ vòng khóa pha trong hệ thống thông tin di động số tế bào.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận phản ánh các hạn chế kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu cụ thể sau:

• Toàn bộ nội dung đồ án tập trung vào phân tích lý thuyết, tổng hợp giải tích toán học và cấu hình hệ thống tiêu chuẩn; văn bản không chứa các kết quả đo kiểm thực nghiệm trên mạng viễn thông thực tế do tại thời điểm thực hiện (năm 2001–2002), mạng CDMA chưa được triển khai thương mại rộng rãi tại Việt Nam.
• Các khảo sát về bám đồng bộ (mạch DLL, Tau-Dither) và cấu hình máy thu phân tập đa tia (Rake receiver) dừng lại ở cấp độ sơ đồ khối nguyên lý và giải tích định tính, chưa triển khai mô phỏng số chi tiết trên các phần mềm chuyên dụng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất trong văn bản là:

• Mở rộng nghiên cứu sâu sang công nghệ CDMA băng rộng (WCDMA) cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông đa phương tiện và dữ liệu tốc độ cao.
• Nghiên cứu các giải pháp tối ưu hóa phần cứng xử lý số tốc độ cao để giảm thiểu giá thành thiết bị đầu cuối và trạm gốc CDMA.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo học thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Nắm bắt toàn diện các nguyên lý truyền dẫn số, kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS), trải phổ nhảy tần (FH-SS) và kiến trúc mạng tế bào thế hệ 2G/2.5G.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật mạng viễn thông: Tham khảo chi tiết Chương II (Cơ sở lý thuyết về hàm tương quan và chuỗi nhị phân), Chương V và VI (Kỹ thuật bắt và bám đồng bộ), cùng Chương X (Cấu trúc phân kênh giao diện vô tuyến và cơ chế điều khiển công suất).
• Các nghiên cứu sinh thực hiện đề tài về xử lý tín hiệu và mã hóa: Sử dụng các chứng minh toán học về ba thuộc tính ngẫu nhiên của Golomb đối với chuỗi cực đại (m-sequence) và phương pháp tính toán dung lượng theo mô hình suy hao mặt đất bậc bốn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tốc độ chip (chip rate) và băng thông kênh vô tuyến trong hệ thống CDMA được tác giả xác định là bao nhiêu?
Trong văn bản, kênh vô tuyến CDMA có độ rộng băng tần là 1,23 MHz, kèm theo hai dải biên phòng vệ mỗi bên 0,27 MHz (tổng băng tần phân phối cho nhà khai thác là 1,77 MHz). Tốc độ chip của mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN là 1,228 MHz (hay 1,228 Mcps).

2. Giao diện vô tuyến kênh hướng xuống (Forward Link) của hệ thống CDMA gồm những kênh nào và sử dụng loại mã gì để phân biệt?
Kênh hướng xuống bao gồm: Kênh Pilot (mã Walsh $W_0$), Kênh Đồng bộ (Sync - mã Walsh $W_{32}$, tốc độ 1200 bit/s), Kênh Nhắn tin (Paging - tối đa 7 kênh, mã Walsh $W_1$ đến $W_7$, tốc độ 9600/4800 bit/s) và Kênh Lưu lượng (Forward Traffic - tối đa 63 kênh, tốc độ biến đổi 9600, 4800, 2400, 1200 bit/s). Các kênh này được phân biệt bằng bộ 64 mã Walsh trực giao (mỗi mã có độ dài 64 chip).

3. Khái niệm "dung lượng mềm" (soft capacity) của CDMA được giải thích như thế nào so với FDMA và TDMA?
Ở FDMA và TDMA, dung lượng bị giới hạn cứng bởi số lượng kênh tần số hoặc khe thời gian cố định. Ở CDMA, toàn bộ thuê bao dùng chung một dải tần; khi số lượng cuộc gọi trong cell tăng lên quá mức, hệ thống không bị nghẽn mạng ngay lập tức mà chỉ làm tăng nhẹ tỷ lệ lỗi bit (BER). Hệ thống có thể tự động điều khiển giảm công suất phát hoặc thực hiện chuyển giao mềm để thu hẹp vùng phủ của cell, chuyển bớt thuê bao ở vùng biên sang cell lân cận nhằm cân bằng tải.

4. Cơ chế điều khiển công suất đường lên (Reverse link) trong hệ thống CDMA hoạt động với thông số kỹ thuật ra sao?
Kênh hướng lên áp dụng phương pháp điều khiển công suất vòng kín. Phân kênh hướng xuống gửi bản tin điều khiển công suất đến máy di động với chu kỳ 1,25 ms một lần (tần số 800 lần/giây) và phạm vi điều chỉnh bao gồm 16 mức khác nhau để đảm bảo công suất thu được từ các máy di động tại trạm gốc luôn đồng đều, loại bỏ hiệu ứng gần - xa (near-far effect).

5. Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên có chiều dài cực đại (m-sequence) tạo ra từ thanh ghi dịch $r$ tầng có chu kỳ bao nhiêu và mang những đặc tính gì?
Chuỗi cực đại có chu kỳ $N = 2^r - 1$. Trong một chu kỳ, chuỗi có đúng $2^{r-1}$ bit 1 và $2^{r-1}-1$ bit 0 (đặc tính cân bằng); phân bố số khoảng chạy có độ dài $n$ tỷ lệ nghịch với $2^n$ (đặc tính khoảng chạy); và hàm tự tương quan đạt giá trị 1 tại gốc pha, nhận giá trị $-1/N$ tại các khoảng dịch pha khác không.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA" của tác giả Nguyễn Chí Minh là công trình nghiên cứu lý thuyết viễn thông có hệ thống, phản ánh chi tiết quá trình phát triển công nghệ di động tế bào tại thời điểm bản lề năm 2002. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa công cụ giải tích toán học tín hiệu (không gian vector, hàm tương quan, đại số chuỗi nhị phân) với việc phân tích sâu cấu trúc mạng, kỹ thuật đồng bộ và giao diện vô tuyến chuẩn IS-95. Luận văn cung cấp luận cứ kỹ thuật thuyết phục chứng minh ưu thế vượt trội của kỹ thuật đa truy nhập trải phổ về dung lượng mềm, hiệu quả phổ tần và khả năng kháng can nhiễu so với các thế hệ thông tin di động băng hẹp trước đó.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ MỤC ĐÍCH : Điều chế trải phổ, một kỹ thuật thông tún vô tuyến, sử dụng dai thông truyền dẫn lên hơn gấp nhiều lần so với dải thông của thong tin hoặc tốc đồ số liệu của một thuế bao bất kỳ. Chúng ta biểu thị dải thông bằng W (H2) và tốc độ số liệu là R(biuS) .Tỷ số W/R là hệ số đạn phổ hoặc độ lái xử lý, Các giá trị W/ biến đổi trong khoảng từ một trầm đến một triệu (3048 đến 60đB) là thưởng thấy. Những ứng dụng trải phổ nầm trong một số loại phổ biến sau: \. Sự chịu dung cao đối với can nhiễu có chủ định (gây nhiều) hoặc can nhiễu không có chủ định thông qua việc triệt bỏ nó bằng một lượng tỉ lệ với hệ số dãn phổ.

Nặc định vị trí và ước tính tốc độ với độ chính xác tăng tỉ lệ thuận với hệ số dãn phổ. 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 đãn phổ tăng lên. Thông tin đa truy nhập của một số lượng lớn các khách hàng được 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 tỷ lệ thuận với hệ số dan phổ.

12_ NHỮNG HẠN CHẾ CƠ BẢN CỦA GIẢI PHAP THONG THƯỜNG: Thông thường mỗi thuê bao của một hệ thống đa truy nhập được cung cấp các nguồn nào đó, chẳng hạn như tần số hoặc khe thời gian, hoặc cả hai và chúng không kết nối với tần số hoặc khe thời gian của thuê bao nào khác. Theo cách như vậy, kênh đa truy nhập biến thành vô số kênh đơn điểm nối điểm, nếu giả định đa có cách ly hoàn toàn các nguồn truyền dẫn của mỗi thuê bao khỏi các nguồn truyền dẫn của tất cả các thuê bao khác. Dung lượng của mỗi kênh chỉ bị giới hạn NGUYỄN CHÍ MINH -1- nga __ ĐÀO PHÚC VINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : NGUYEN ViET HUNG. LE MINH THANH.

bởi đải thông và thời gian được gần cho nó, bởi sự giảm phẩm chất do tạp âm nền mà chủ yếu là bất nguồn từ nhiệt và do những sự bất bình thường của truyền dẫn đã tạo ra các hiệu ứng che khuất va pha đính nhiều đường. Khi đó, nhìn bể ngoài, dung lượng hỗn hợp các thành phần riêng của các kênh đa truy nhập sẽ bằng với dung lượng của một thuê bao đơn, chiếm toàn bộ nguồn hỗn hợp của các kênh đơn lẻ. Kết luận này có ba sai sót. Thứ nhất là nó giả thiết rằng tất cả các thuê bạo đều liên tục phất trong cùng một khoảng thời gian như nhau.

Điểu này có thể là gần đúng đối với truyền xố liệu chuyển mạch gói, nhưng không đúng đối với tuyền dẫn tiếng nói của chuyển mạch kênh, Trong cuộc đàm thoại giữa hai người, mỗi người nói chỉ hoạt đồng không đến một nửa thời gian. Khi các tản số hoác khe thời gian được pán một cách duy nhất, việc phần bố lại các kénh trong chu kỳ ngắn đồi hỏi sự chuy n mạch kênh thật nhanh giữa các thuê bao. Và ngày như việc đó có thể thực hiện được thì những khoảng ngừng ngắn đó giữa các âm tiết cũng sẽ không phân bố lại một cách nhanh chóng được. Một nguyên do quan trọng khác mâu thuẫn một cách nghiêm trọng hơn với kết luận nói trên là việc phân bố lại phổ tần theo vùng địa lý.

Cho tới gần đây, vấn để này mới chỉ liên quan chủ yếu đến truyền hình quảng bá. Tấn số VHF hoặc UHF đạt được phân bố cho đài phát hình địa phương cuả LosAngeles thì không thể phân bố cho San Diago hoặc San ta Barbara cách xa nhau dưới 200km, mặc dù tần số đó có thể tái sử dụng ở San Franciscô, cách xa nó hơn 500km. Trong khi truyền hình quảng bá là một kênh điểm nối da điểm ,với một máy phát phục vụ nhiều khách hàng thì đa truy nhập lại là một kênh đa điểm tới một điểm với một trạm gốc trên đất hoặc một trạm chủ vệ tỉnh thu tín hiệu từ nhiều thuê bao. Trước khi xuất hiện điện thoại đi động vô tuyến tế bào, các hệ thống đa truy nhập thường chỉ gồm một tế bào.

Tế bào này bao trùm một khu vực thành phố từ một trạm gốc duy nhất đặt tại một vị trí cao hoặc bao trùm một vùng địa lý rộng lớn hơn từ một bộ phát đáp vệ tình duy nhất mà chỉ có một số đầu cuối mặt đất truy nhập tới. Với sự xuất hiện của dịch vụ di động tế bào, việc tái sử dụng tần số trở thành vấn để trung tâm để thực hiện đa truy nhập cho một lượng thuê bao lớn hơn nhiều nằm rải rác trên nhiều vùng đô thị kế tiếp nhau. NGUYỄN CHÍ MINH aaah BAO PHUC VINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : NGUYỄN VIỆT HUNG. © LÊ MINH THÀNH.

Một tiêu chuẩn công nghệ Analog gọi là AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống điện thoại di động phát triển sử dụng điều chế EM và chiếm dụng một khe của kênh tần số 30MHZ cho mỗi tín hiệu tiếng nói. Mỗi tần phổ 12,5MHZ phân bố cho truyền dẫn từ trạm gốc đến máy di động(thường được gọi là tuyến thuận hoặc tuyến xuống) và cho truyền dẫn từ máy di động đến trạm gốc(thường được gọi là tuyến nghịch hoặc tuyến lên) cung cấp gần 400 kênh cho mỗi hướng, Vì nhụ cầu trong các vùng thành phố lớn hơn nhiều lần so với con xổ dé, cho nên phải dùng đến nhiều trạm gốc của mạng tế bào và chúng chỉ cách nhau không quá km ở những khu vực mật độ dân số cao, Can nhiều lần nhau có thể có giữa các tế bào kể nhau đòi hồi sự phản bố nguồn tắn số nghiệm ngặt hơn so với sự phán bố thô dùng trong truyền hình quảng bá. Sự phân bố các kénh của mạng tế bào một cách lý niềng hoá được mình hoạ trong hình vẽ(l.]) trong đó các tê bào được trình bày như các hình lục giác liền kế nhau, Cùng một tẳẩn sở hoặc các khe thời gian không bao giờ được sứ dụng lại tại các tế bào bèn cạnh, nhưng có thể được sử dụng lại tại các tế bào không kè cần.1 hai cạnh tế bào cạnh nhau có tái sử dụng tần số.1 trình bày hai phiên bản cạnh nhau của một cụm đa tế bào.

Cụm này được sử dụng lại như một khối kiến trúc để hình thành nên một mô hình sao chép trên khu vực rộng không hạn chế. Hai tế bào NGUYỄN CHÍ MINH -3- ». ĐÀO PHÚC VINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : NGUYỄN VIỆT HÙNG. LÊ MINH THÀNH.

được phân bố cùng một tần số và do vậy gây nhiễu lẫn nhau phải được ngăn cách nhau bằng một khoảng cách lớn hơn đường kính một tế bào. Khoảng phân cách này là đủ lớn bởi vì sự suy hao công suất khi truyền lan đưới mặt đất tăng lên theo luỹ thừa 4 của khoảng cách. Ngoài ra nguồn can nhiễu còn giảm xuống nhờ sử dụng các anten tạo hình cung tại trạm gốc với mỗi cung dùng các dai tân khác nhau. Thế nhưng, hậu quả sẽ là số lượng các kênh trên một tế bào bị giảm xuông môt lượng bằng với hệ số tái sử dụng tần số(ở thí dụ trên là bằng 7).

Do vay gần 400 kênh tương tự dành cho mỗi nhà cung ứng dịch vụ sẽ phải piám đi không còn đến 60 kẽnh/tế bao. Mác dù giảm được can nhiều nhưng việc sử dụng các anten chia theo cung đã không làm tầng số lượng các khe thời gian chẳng hạn : mỗi cung của mỘt anten chìa theo cúng của một anten 3 cung được phán bố 1/3 số khe(khoảng 30 khe cho một cung). Ngay cả khi đã thận trọng thi cong suất cạn nhiều thu được tại một trạm gốc nào đó từ các kênh tái sử dung tin sd ở các tế bào khác cũng chỉ thấp hơn khoảng 18dB so với công suất tín hiệu thu được từ thuê bao mong muốn của cùng một kènh trong tế bào cho trước. Các hệ số tái sử dụng thấp hơn mức 4 hoặc thậm chí 3 đã được cân nhắc tới, nhưng trừ khi có thể sử dụng các kỹ thuật điều chế có dung sai lớn hơn, việc giảm khoảng cách giữa các tế bào gây can nhiễu lại làm tăng can nhiễu của tế bào khác tới một điểm mà chất lượng tín hiệu không thể chấp nhận được.

Nguồn gốc làm giảm chất lượng thứ ba chung cho tất cả các hệ thống đa truy nhập đặc biệt trong môi trường là dưới mặt đất là tính chất nhiều đường (multi path). Sự mất pha giữa các đường truyền lan khác nhau có thể gây ra pha-đinh nghiêm trọng, ảnh hưởng can nhiễu sẽ xấu hơn do công suất tín hiệu khả dụng thấp đi. Hiện tượng này đặc biệt nghiêm trọng khi mỗi kênh dược phân bố một đải thông hẹp. Người ta có thể tạo ra một hệ thống đa truy nhập chịu đựng được can nhiễu tốt hơn nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế số tại máy phát (bao gồm cả việc mã hoá nguồn tín hiệu và mã hoá sửa sai kênh) và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tương ứng ở máy thu.

Tuy nhiên bản thân các phương pháp số hoá cũng chẳng thể làm thay đổi được những hạn chế cơ bản : các kênh không thể được giải toả một cách nhanh chóng khi hoạt động của một thuê bao bị ngừng, việc tái sử dụng tân số bị giới hạn ở các tế bào không liền nhau và các kênh băng hẹp nhạy NGUYỄN CHÍ MINH Xi ngg EửI So lu ĐÀO PHÚC VINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD : NGUYỄN VIỆT HÙNG. LÊ MINH THÀNH. cảm với pha đỉnh nhiều đường nhiều hơn. Các yếu tố kết hợp lại sẽ làm giảm dung lượng kênh đi một cấp giá trị.

13 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ (FDMA): Nguyên lý của đa xuất nhập ghép tan số gồm các phần sau : > Dùng n sóng mang tải tin wong mot dai bang của Vệ Tỉnh (mdi repeater). ® Mdi song mạng được dùng cho một trạm Mat Đất cố định để phát đến các trạm Mật Đất khác, > Vệ tnh có nhiệm vụ phát tất cả n sóng mang đến tất cả các tram Mặt Đặt, > Tram mặt đất thu tất cả n sóng mang, giải điều chế và tách riêng các kênh tin có đích là trạm Miát Đất đơ. %_ Như vậy, mỗi trạm Mặt Đất sẽ gồm một bộ điều chế FM, một mạch phát với sóng mang tương ứng Trạm đó, gồm nhiều bộ thu và giải điều chế FM và bộ tách các kênh tin có đích là trạm đó.