Tổng quan nghiên cứu

Thị trường viễn thông di động bước vào thế kỷ 21 với tốc độ phát triển bùng nổ, đặc biệt là tại khu vực Châu Á với mức tăng trưởng thuê bao hàng năm vượt mốc 35%, vượt qua nhiều khu vực phát triển khác trên thế giới. Đi kèm với sự gia tăng nhanh chóng của lượng người dùng tại các đô thị lớn là tình trạng nghẽn mạch nghiêm trọng, suy giảm chất lượng đàm thoại do can nhiễu đồng kênh và sự giới hạn tài nguyên tần số của các công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số và thời gian truyền thống. Để tháo gỡ điểm nghẽn hạ tầng này, kỹ thuật trải phổ và công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) đã xuất hiện như một cuộc cách mạng kỹ thuật trong việc tối ưu hóa dung lượng truyền dẫn và bảo mật thông tin liên lạc vô tuyến.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích sâu bản chất vật lý của kỹ thuật điều chế trải phổ, khảo sát các họ chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-Noise) và đánh giá mô hình ứng dụng thực tế trong mạng thông tin di động tế bào CDMA. Không gian và thời gian nghiên cứu gắn liền với mốc thời gian tháng 3 năm 2003 tại Thành phố Hồ Chí Minh, thời điểm Công ty Viễn thông Postel phối hợp cùng đối tác Hàn Quốc triển khai mạng vô tuyến CDMA tiên tiến. Về mặt giá trị định lượng, luận văn chứng minh hệ thống trải phổ mang lại hệ số dãn dải thông hay độ lợi xử lý (Processing Gain) vượt trội từ 20 dB đến 60 dB (tương đương tỷ số dãn phổ từ 100 đến 1.000.000 lần), giúp gia tăng dung lượng thuê bao phục vụ đồng thời lên gấp 3 đến 5 lần so với công nghệ TDMA và gấp 10 lần so với công nghệ FDMA trên cùng một dải tần số cấp phát.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nền tảng lý luận của công trình bắt nguồn từ định lý dung lượng kênh truyền Claude Shannon và lý thuyết điều chế trải phổ băng rộng vô tuyến. Công thức Shannon xác lập dung lượng kênh thông tin tối đa phụ thuộc đồng thời vào băng thông và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N). Khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ hơn 0,1, hệ thống vẫn duy trì tốc độ truyền dẫn dữ liệu chính xác với xác suất lỗi thấp bằng cách mở rộng băng thông truyền dẫn tín hiệu lên nhiều lần so với băng thông gốc của bản tin.

Hệ thống lý thuyết được xây dựng dựa trên 4 khái niệm kỹ thuật trọng tâm: độ lợi xử lý hệ thống, mật độ phổ công suất (PSD), chuỗi giả ngẫu nhiên PN và cấu trúc thu phân tập đa tia Rake. Các chuỗi mã trải phổ gồm chuỗi m (chuỗi có độ dài cực đại), chuỗi Gold và chuỗi Kasami được phân tích giải tích dựa trên giới hạn toán học Sidelnikov và giới hạn Welch nhằm đánh giá đặc tính tự tương quan lệch pha và giảm thiểu can nhiễu tương quan chéo. Trong tiêu chuẩn CDMA IS-95, mỗi kênh vô tuyến chiếm độ rộng băng thông 1,23 MHz cùng dải biên phòng vệ 0,27 MHz (tổng băng thông phân bổ là 1,77 MHz), sử dụng tốc độ cắt chip rate cố định ở mức 1,228 MHz, tạo điều kiện cho máy thu đạt mức phẩm chất cao tại ngưỡng tỷ số năng lượng bit trên mật độ tạp âm (Eb/I0) xấp xỉ 6 dB.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp suy luận giải tích toán học và phương pháp mô phỏng số liệu định lượng. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập bao gồm 100 kịch bản truyền sóng vô tuyến di động và 10.000 khung truyền dữ liệu số (mỗi khung chứa từ 192 đến 384 bit dữ liệu mã hóa). Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật chọn mẫu phân tầng theo các dải tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR từ -20 dB đến +10 dB), kết hợp với kỹ thuật chọn mẫu ngẫu nhiên để mô phỏng chính xác các điều kiện fading Rayleigh, fading đa đường và môi trường nhiễu tạp âm trắng Gauss cộng (AWGN).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích phối hợp mô phỏng số vì giải pháp này cho phép khảo sát toàn diện các hàm tự tương quan, hàm tương quan chéo của các chuỗi mã PN cũng như đánh giá chính xác dung lượng tế bào lý thuyết mà không phải chịu chi phí đầu tư phần cứng đắt đỏ trong điều kiện nghiên cứu năm 2003. Nguồn dữ liệu sử dụng được đối chiếu từ các khuyến nghị kỹ thuật của tổ chức viễn thông quốc tế TIA/EIA và dữ liệu thực nghiệm đo đạc hoạt động đàm thoại hai chiều từ công bố của Brady năm 1968. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được thực hiện liên tục trong 6 tháng, từ tháng 10 năm 2002 đến tháng 3 năm 2003 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chứng minh độ lợi xử lý (PG) của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) đạt từ 20 dB đến 60 dB, cho phép nén phổ tín hiệu gốc đồng thời phân tán công suất các nguồn nhiễu băng hẹp, làm giảm ảnh hưởng phá hoại của các tín hiệu can nhiễu xuống hơn 99% so với hệ thống truyền dẫn thông thường.

Thứ hai, dung lượng tế bào của hệ thống CDMA ghi nhận mức tăng trưởng vượt trội từ 300% đến 500% so với hệ thống TDMA và gấp 10 lần so với FDMA. Kết quả vượt bậc này đạt được nhờ khai thác hiệu quả hệ số tích cực tiếng nói Gv = 2,67 (tiếng nói con người chỉ hoạt động khoảng 37,5% thời gian đàm thoại) cùng hệ số định hướng của ăng ten 3 cung Ga = 2,4.

Thứ ba, việc ứng dụng máy thu phân tập đa đường Rake cho phép gom các tín hiệu phản xạ có độ trễ lớn hơn 0,814 microgiây (tương ứng với một chu kỳ chip tại tốc độ 1,228 MHz). Kỹ thuật này giúp chuyển đổi hiện tượng giao thoa đa tia bất lợi thành năng lượng tín hiệu có ích, duy trì tỷ lệ lỗi bit (BER) dưới mức 0,001 tại ngưỡng Eb/I0 bằng 6 dB.

Thứ tư, khảo sát họ chuỗi mã giả ngẫu nhiên Kasami chu kỳ 15 bit (tạo từ đa thức nguyên thủy bậc m = 4) cho thấy giá trị tương quan chéo cực đại Rmax đạt đúng giới hạn Welch với giá trị bằng 5, làm giảm mức độ xuyên âm giữa các thuê bao sử dụng cùng kênh tần số hơn 65% so với việc ứng dụng chuỗi ngẫu nhiên không kiểm soát.

Thảo luận kết quả

Ưu thế vượt trội của CDMA bắt nguồn từ nguyên lý dùng chung một dải tần số 1,23 MHz duy nhất cho mọi thuê bao trong cùng một cell mà không cần chia nhỏ tần số như FDMA hay chia khe thời gian như TDMA. Thay vào đó, mỗi thuê bao được phân biệt bằng một mã trải phổ giả ngẫu nhiên trực giao. So với kỹ thuật TDMA (điển hình là mạng GSM), hệ thống TDMA bị mất từ 15% đến 20% dung lượng do phải bố trí các khe thời gian bảo vệ và chuỗi bit đồng bộ nhằm tránh giao thoa ký tự (ISI). Ngược lại, CDMA giải quyết triệt để bài toán can nhiễu giữa các cell lân cận nhờ hệ số can nhiễu 1 + f = 1,6 (nghĩa là can nhiễu từ các cell khác gây ra chỉ bằng khoảng 60% can nhiễu nội tại trong cell đang xét).

Các dữ liệu nghiên cứu này có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ đường biểu diễn sự biến thiên của xác suất lỗi bit (BER) theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Eb/N0) trong khoảng từ 0 dB đến 12 dB, thể hiện rõ đường cong suy giảm lỗi của điều chế DS/SS-QPSK so với DS/SS-BPSK. Ngoài ra, việc thiết lập bảng ma trận tương quan giữa chuỗi Gold độ dài 31 chip và chuỗi Kasami 15 chip sẽ mô tả rõ ràng các giá trị tương quan chéo ba trị {-5, -1, 3}, qua đó chứng minh trực quan sự tối ưu hóa của các tập mã trong việc hạn chế hiện tượng xuyên âm đa người dùng.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, tối ưu hóa thuật toán điều khiển công suất vòng kín tại trạm gốc: Các nhà khai thác mạng di động cần duy trì tần số điều khiển công suất ở mức 800 Hz (chu kỳ cập nhật 1,25 mili-giây) với bước nhảy 1 dB, nhằm khống chế dung sai công suất thu từ tất cả các máy di động tại trạm BTS trong khoảng biên độ dưới 0,5 dB. Giải pháp này giúp triệt tiêu hoàn toàn hiệu ứng gần-xa trong lộ trình thực hiện 6 tháng.

Hai là, nâng cấp hệ thống ăng ten phân chia 3 cung tại các trạm thu phát vô tuyến: Đơn vị thiết kế hạ tầng mạng cần lắp đặt đồng bộ hệ thống ăng ten sector 120 độ đạt hệ số tăng ích Ga = 2,4, hướng tới mục tiêu giảm thiểu can nhiễu đồng kênh xuống dưới 20% và gia tăng dung lượng phục vụ thuê bao thêm 240% trên mỗi cell, thời gian triển khai hoàn thiện trong 12 tháng tại các khu vực đô thị đông dân cư.

Ba là, chuẩn hóa cơ cấu mã trải phổ trực giao Walsh và chuỗi Gold: Các cơ quan quản lý tần số và kỹ sư quy hoạch mạng cần áp dụng bộ 64 mã Walsh trực giao cho kênh đường xuống và chuỗi mã Gold chu kỳ 32.767 chip cho kênh đường lên, đặt chỉ tiêu duy trì tỷ lệ rớt cuộc gọi dưới 1% trong suốt chu kỳ vận hành 18 tháng.

Bốn là, tích hợp máy thu Rake cấu hình từ 3 đến 4 ngón tay thu trên thiết bị đầu cuối: Doanh nghiệp phát triển thiết bị viễn thông cần hoàn thiện thuật toán tách sóng đa nhánh nhằm phân tách tối thiểu 3 thành phần đa tia phản xạ độc lập, hướng tới nâng cao độ nhạy thu thêm từ 2,5 dB đến 3 dB trong kế hoạch phát triển công nghệ 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp khung phân tích toán học chuẩn mực về dung lượng kênh Shannon và hệ số dãn dải thông với độ lợi xử lý từ 20 dB đến 60 dB, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu cải tiến thuật toán trải phổ trong các thế hệ mạng không dây tiếp theo.

Nhóm thứ hai là kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến tại các nhà khai thác viễn thông: Tài liệu hỗ trợ giải quyết triệt để vấn đề can nhiễu đô thị và hiện tượng fading đa đường, cung cấp tham số chuẩn về thuật toán điều khiển công suất 800 Hz để giảm tỷ lệ cuộc gọi gián đoạn xuống dưới 1% trên các tuyến phố có mật độ nhà cao tầng dày đặc.

Nhóm thứ ba là chuyên viên quản lý tài nguyên tần số vô tuyến điện: Các phân tích về hiệu quả phổ tần của kênh CDMA độ rộng 1,23 MHz cùng dải bảo vệ 0,27 MHz cung cấp cơ sở khoa học để hoạch định quy hoạch băng tần quốc gia, tối đa hóa hiệu suất sử dụng kho tài nguyên sóng vô tuyến.

Nhóm thứ tư là giảng viên phụ trách các môn học Thông tin di động và Xử lý tín hiệu số: Hệ thống mô hình toán học về cấu trúc chuỗi mã m, chuỗi Gold và chuỗi Kasami có chu kỳ từ 15 đến 32.767 bit đóng vai trò như bộ học liệu chuyên sâu, phục vụ đắc lực cho công tác giảng dạy lý thuyết và xây dựng các bài thí nghiệm mô phỏng.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi 1: Kỹ thuật trải phổ mang lại ưu thế kháng nhiễu vượt trội nhờ vào nguyên lý căn bản nào?

Trả lời 1: Kỹ thuật trải phổ nhân tín hiệu băng hẹp với chuỗi giả ngẫu nhiên có tốc độ chip rate 1,228 MHz, mở rộng dải thông tín hiệu gấp từ 100 đến 1.000.000 lần so với dải thông tin tức gốc. Tại máy thu, bộ giải trải phổ nén tín hiệu hữu ích về băng gốc trong khi phân tán công suất các nguồn nhiễu, giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu từ 20 dB đến 60 dB.

Hỏi 2: Vì sao chuỗi mã Gold và Kasami lại được ưu tiên sử dụng trong hệ thống CDMA thay vì chuỗi m ngẫu nhiên?

Trả lời 2: Dù chuỗi m có hàm tự tương quan dạng xung kim rất tốt, nhưng hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi m bất kỳ lại xuất hiện nhiều đỉnh lớn gây nhiễu xuyên âm nghiêm trọng. Chuỗi Gold và Kasami khắc phục nhược điểm này bằng cách tạo ra số lượng mã lớn có giá trị tương quan chéo tối ưu bám sát giới hạn Welch như tập giá trị {-5, -1, 3}, duy trì tính trực giao cao giữa các thuê bao.

Hỏi 3: Hiện tượng gần-xa tác động thế nào đến hệ thống CDMA và giải pháp kiểm soát là gì?

Trả lời 3: Hiện tượng gần-xa xảy ra khi máy di động ở gần trạm phát tín hiệu quá mạnh lấn át tín hiệu của máy ở xa có công suất thu yếu hơn. Hệ thống CDMA khắc phục triệt để tình trạng này bằng quy trình điều khiển công suất vòng kín đạt tốc độ 800 Hz, tự động hiệu chỉnh mức phát của máy di động theo từng bước 1 dB để bảo đảm công suất thu tại trạm gốc luôn cân bằng.

Hỏi 4: Máy thu Rake phát huy vai trò gì trong việc xử lý hiện tượng truyền sóng đa tia?

Trả lời 4: Trong truyền sóng đô thị, các tia phản xạ đến máy thu tại những thời điểm khác nhau gây méo dạng tín hiệu nghiêm trọng. Máy thu Rake sử dụng nhiều ngón tay thu độc lập để bám bắt và tạo trễ các tia sóng phản xạ lệch nhau từ 0,814 microgiây trở lên, sau đó cộng kết hợp đồng pha năng lượng của chúng, biến hiện tượng fading đa đường thành lợi thế phân tập với mức Eb/I0 đạt chuẩn 6 dB.

Hỏi 5: Do đâu mà hệ thống CDMA đạt được dung lượng thuê bao vượt trội hơn so với FDMA và TDMA?

Trả lời 5: CDMA áp dụng hệ số tái sử dụng tần số bằng 1 trên tất cả các cell trong băng tần 1,23 MHz mà không cần phân chia kênh tần số cố định. Kết hợp với việc tận dụng khoảng lặng đàm thoại thông qua hệ số tích cực tiếng nói Gv = 2,67 và kỹ thuật ăng ten 3 cung Ga = 2,4, dung lượng của một cell CDMA tăng từ 300% đến 500% so với mạng TDMA truyền thống.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu toàn diện về kỹ thuật trải phổ và mô hình ứng dụng thực tiễn trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA thông qua các điểm nhấn trọng tâm:

  • Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần (FH/SS) với độ lợi xử lý mạnh mẽ từ 20 dB đến 60 dB.
  • Chứng minh chặt chẽ các đặc tính toán học của các chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN (chuỗi m, Gold, Kasami) thỏa mãn các giới hạn Sidelnikov và Welch.
  • Khẳng định khả năng gia tăng dung lượng mạng vô tuyến lên gấp 3 đến 5 lần nhờ khai thác hệ số tích cực tiếng nói Gv = 2,67 và hệ số ăng ten định hướng Ga = 2,4.
  • Đưa ra cơ chế giải quyết triệt để hiện tượng gần-xa bằng thuật toán điều khiển công suất 800 Hz và tận dụng fading đa đường qua máy thu Rake tại ngưỡng Eb/I0 bằng 6 dB.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao phục vụ lộ trình xây dựng và phát triển mạng di động CDMA băng thông 1,23 MHz tại Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo của lộ trình 3 đến 5 năm tới, các hướng nghiên cứu mở rộng cần tập trung vào việc tích hợp công nghệ CDMA băng rộng (WCDMA) và các kỹ thuật đa sóng mang. Độc giả, kỹ sư viễn thông và các nhà nghiên cứu hãy vận dụng ngay các kết quả và mô hình tính toán từ công trình này để triển khai, nâng cấp và tối ưu hóa hiệu quả các hệ thống truyền thông không dây hiện đại.