CHƯƠNG 1-VÀI NÉT VỀ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN THÔNG DÙNG CDMA 1 2 3 4 7 1. Giới thiệu về công nghệ CDMA LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 13 - Lí thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và đã được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lí thuyết thông tin, trong những năm 1980, công nghệ CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm-Mỹ vào năm 1990. CDMA sử dụng công nghệ trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi.
Những người sử dụng nói trên được phân biệt nhờ một mã trải riêng không trùng với ai. Mỗi máy phát gửi đi luồng dữ liệu bằng cách điều chế mã trải của riêng nó với dữ liệu như trong trường hợp hệ thống có một người dùng. Tuy nhiên trong trường hợp hàm tương quan giữa các mã trải là không trực giao hoàn toàn, khi tách sẽ lấy tích phân tín hiệu có chứa cả thành phần không trực giao giữa các người dùng. Do đó ta phải tìm cách hạn chế nhiễu giữa các người dùng với nhau càng nhiều càng tốt.
Điều này đòi hỏi ta phải chọn các mã trải sao cho hàm tương quan chéo của nó có giá trị càng nhỏ càng tốt. Yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống chính là độ rộng băng thông và tốc độ truyền dữ liệu, vì chúng có thể gây ra mất trực giao. Ngoài sự tương quan của các mã trải, còn có các yếu tố khác đóng vai trò quan trọng như là: tỉ số tín hiệu trên tạp của tín hiệu thu (SNR), phương pháp mã hoá…loại máy thu. Và yếu tố cuối cùng là chất lượng bộ thu đa người dùng, phải thiết kế và phân tích sao cho chống được nhiễu đa truy nhập (MAI).
Như vậy nền tảng của hệ truyền thông dùng CDMA đó là trải phổ, trước tiên ta sẽ xét nguyên tắc của nó. Nguyên tắc trải phổ Trong truyền dẫn trải phổ, tín hiệu tin gốc, có độ rộng băng tần B (Hz), sẽ được phát đi sau khi đã được trải ra với độ rộng băng tần lớn hơn gấp N lần, trong đó N là độ lợi xử lí. Trong thực hành thì độ lợi xử lí nằm trong khoảng 10- 30dB. Khái niệm trải phổ tần số được minh hoạ trong hình1-1.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 14 - Công suất phát của tín hiệu trải phổ được trải ra N lần so với băng tần gốc, có nghĩa mật độ phổ của nó giảm một lượng như vậy. Do đó độ xử lí được tính theo công thức: BS N (1.1) B Trong đó Bs là băng tần của tín hiệu trải phổ còn B là băng tần của tín hiệu gốc. Như chúng ta sẽ thấy trong các chương tiếp theo, kĩ thuật trải phổ tín hiệu là chìa khoá để phát triển kĩ thuật tách sóng trong môi trường sóng di động. Chính kĩ thuật này cho phép các tín hiệu băng hẹp có mật độ phổ cao hơn tín hiệu khác khi dùng cùng băng tần.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 15 - -Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS-SS), sẽ xét chi tiết sau đây: 1. Trải phổ nhảy tần (FH-SS) Trong trải phổ nhảy tần, tín hiệu băng hẹp được phát đi khi sử dụng các tần số sóng mang khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Có hai loại trải phổ nhảy tần: nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm. Trong nhảy tần nhanh, tần số mang thay đổi vài lần trên một kí hiệu phát, trong khi với nhảy tần chậm, tần số mang thay đổi sau một số kí hiệu hoặc một cụm phát.
Chuỗi chính xác của nhảy tần sẽ chỉ được biết bởi bộ thu đã định sẵn sao cho các mẫu nhảy tần số có thể giải nhảy tần, để sau đó giải điều chế tín hiệu. Trải phổ trực tiếp Trong trải phổ trực tiếp, tín hiệu tin được nhân với một chuỗi tín hiệu tần số cao, thường được biết đến như là mã trải hoặc chuỗi phổ trải. Chuỗi tín hiệu của người sử dụng này sẽ dễ dàng tách ra từ các tín hiệu của người sử dụng khác để đạt được khả năng đa truy nhập trong CDMA. Như vậy trong CDMA, việc tách từng người sử dụng đạt được khi sử dụng mã trải trực giao.
Chúng ta có thể nhìn thấy trong hình 1-2, mỗi kí hiệu tin trong khoảng Ts được chia nhỏ thành Nc khoảng đều nhau mỗi khoảng kéo dài Tc. Mỗi một khoảng được nhân với chip khác nhau của chuỗi trải phổ. Kết quả đầu ra sẽ được phổ tần số cao. TC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 16 - (Hình 1-2-Các dạng sóng theo thời gian để tạo ra tín hiệu trải phổ trực tiếp) Chú thích hình vẽ: - b(t): Information signal- tín hiệu tin - a(t): Signature sequence- chuỗi trải phổ - u(t): Spread spectrum signal- tín hiệu đã trải phổ Ngoài hai hệ cơ bản trên người ta có thể dùng hệ nhảy tần lai ghép.
Hiệu ứng của kênh đa đường Như chúng ta biết, một trạm di động thường được đặt gần mặt đất, và tín hiệu phát đi sẽ bị khúc xạ, phản xạ, tán xạ bởi những vật thể trong thành phố như cây cối, nhà cửa, đồi núi. Vì vậy tín hiệu thu được sẽ bao gồm một dãy các tín hiệu chồng nhau, là bản sao bị trễ của tín hiệu phát. Mỗi một tín hiệu trễ có thời gian đến, công suất và pha khác nhau. Khi bộ thu cũng như các vật thể phản xạ không dừng, nên các thành phần phản xạ sẽ gây phadinh lên tín hiệu thu, trong đó phadinh là nguyên nhân gây ra tín hiệu thay đổi cường độ theo cách không tiên đoán được.
Hiện tượng này là truyền đa đường. Có hai loại điển hình về phadinh trên kênh thông tin di động: -Phadinh dài (quy mô lớn) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 17 - -Phadinh ngắn (quy mô hẹp) Hiện tượng phadinh dài là do phân bố cấu trúc địa hình giữa trạm gốc và trạm di động, đặc biệt là đồi núi hoặc độ nhấp nhô của các toà nhà. Kết quả là suy hao công suất tín hiệu trung bình, như là hàm của khoảng cách. Chúng ta mong muốn miêu tả một kênh thông qua tổn hao đường truyền, thường là theo luật tỉ lệ nghịch với mũ bốn và biến thiên quanh giá trị này theo phân bố log chuẩn.
Bên cạnh đó, phadinh ngắn liên quan đến sự thay đổi rất mạnh của biên độ tín hiệu và pha, và là do sự thay đổi một khoảng nhỏ trong không gian giữa bộ thu và bộ phát. Hơn thế nữa, sự di chuyển giữa bộ thu và bộ phát làm thay đổi đường truyền dẫn, và như thế kênh coi như thay đổi theo thời gian. Kênh thay đổi theo thời gian lựa chọn tần số sẽ được mô hình hoá như là các đường trễ, trong đó đáp ứng xung thông thấp, phức có thể viết như sau: L ~ h (t ) l (t ) e jl (t ) (t l ) (1.2) l 1 Với l (t ) , l(t), l là biên độ, pha, trễ của đường thứ l, và L là tổng số đường thành phần. Tốc độ thăng dáng của mức tín hiệu sẽ được xác định bằng tần số Doppler (fD), nó phụ thuộc vào tần số sóng mang (fC), và tốc độ di chuyển ( v ) của máy di động theo công thức : fC fD v (1.3) c trong đó c là vận tốc ánh sáng.
Đặc biệt, hiện tượng phadinh ngắn thường được biểu diễn bằng phân bố Rayleigh, Rice, hoặc Nakagami. Phadinh phân bố Rayleigh thường được sử dụng khi phân tích và mô phỏng bởi vì nó đơn giản và dễ dàng khi đưa ra những minh hoạ cho ảnh hưởng của phadinh lên đường truyền. Hơn thế, phân bố Rayleigh chính là trường hợp đặc biệt của phân bố Nakagami. Phân bố Rice thường được sử dụng hơn trong thông tin vệ tinh.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 18 - Trễ sẽ tỉ lệ tương ứng với chiều dài đường tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu. Trải trễ do chiều dài khác nhau của các đường thành phần sẽ là nguyên nhân gây ra nhiễu giữa các kí hiệu (ISI) trong quá trình truyền dữ liệu, một vấn đề đặc biệt quan trọng khi tốc độ truyền cao. Đáp ứng xung của một kênh điển hình mô tả trong hình 1-3 (theo COST 207) (Hình 1-3-Đáp ứng xung của kênh đa đường) Chú thích hình vẽ: Amplitude: biên độ Time delay: thời gian trễ Như trong hình vẽ, đáp ứng xung gồm có 2 nhóm của đường truyền trễ: nhóm chính và nhóm phụ là lặp lại của nhóm chính nhưng trễ đi 5s. Nhóm chính là nguyên nhân gây ra của phản xạ của tín hiệu từ cấu trúc lân cận bộ thu với thời gian trễ ngắn hơn.
Mặt khác, nhóm phụ cũng là phản xạ của tín hiệu nhưng từ các cấu trúc xa hơn, ví dụ như đồi núi. Hình 1-4 mô tả ảnh hưởng sự suy giảm của tín hiệu trải phổ trong kênh đa đường, với L đường độc lập, khi đó ta có tương đương thông thấp của tín hiệu thu băng cơ bản (gốc) là: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4) l 1 (Hình 1-4-Mô hình truyền dẫn đa đường của tín hiệu phát) Trong đó l (t ) là độ lợi kênh thực thay đổi theo thời gian, đã được đưa ra trong công thức (1.2) với biên độ phân bố Rayleigh, pha phân bố đều trong ~ khoảng -…, và s (t l ) là tín hiệu trải phổ phát băng cơ bản tương đương với trễ là l. Tất cả các đường này sẽ cùng đến bộ thu, và sự khác nhau nào về pha và trễ nào đó giữa các đường có gây ra nhiễu đa đường, gọi là nhiễu giữa các kí hiệu (ISI). Đa truy nhập Trong các phần trên ta chỉ xét đến truyền dẫn một người dùng.
Hệ thống thực hiện khá đơn giản. Vậy làm thế nào để hệ thống có thể làm việc cho truyền dẫn nhiều người sử dụng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 20 - Việc đa truy nhập đạt được trong hệ thống DS/CDMA cho phép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ bằng tần chung. Mỗi một bộ phát và bộ thu đã ấn định trước của nó được phân cho chuỗi trải phổ riêng biệt.
Khi đó chỉ những bộ thu biết rõ ràng về chuỗi trải phổ riêng biệt này mới có khả năng tách ra được tín hiệu đã phát. Xét hệ thống CDMA có K người sử dụng đang hoạt động, và đang phát tín hiệu cùng một lúc. Mô hình hệ thống tương đương băng gốc được chỉ ra trong hình 1-5.