Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất dùng phương pháp ước lượng trong hệ thống thông tin di động cdma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- TRẦN TRỌNG MINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DÙNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Nội 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- TRẦN TRỌNG MINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DÙNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN Hà Nội 2004 1 Mục lục Mục lục ............................................................................................................. 1 Bảng tra cứu các từ viết tắt ............................................................................ 3 Danh mục các hình vẽ và đồ thị ..................................................................... 5 mở đầu .............................................................................................................. 8 Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ và công nghệ cdma................ 10 1.1. Tổng quan về kỹ thuật trải phổ ........................................................ 10 1.1.1.Khái niệm về kỹ thuật trải phổ ........................................................ 10 1.1.2. Các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ ............................... 11 1.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA .......................................... 14 1.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập ...................................................................... 14 1.2.2 Hoạt động của hệ thống CDMA ..................................................... 16 1.2.3 Mã hướng lên của CDMA ............................................................. 21 1.2.4 Mã hoá hướng xuống CDMA ......................................................... 22 Chương 2 Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động CDMA ......................................................................................................................... 22 2.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động CDMA .............................. 22 2.1.1 Kênh hướng xuống CDMA ............................................................. 23 2.1.2 Kênh hướng lên CDMA .................................................................. 24 2.2 Kênh thông tin di động ........................................................................ 26 2.2.1 Mất đường trong phạm vi lớn ......................................................... 29 2.2.2 Mất đượng phạm vi nhỏ .................................................................. 30 2.3 Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển công suất cơ bản...................... 38 2.3.1 Điều khiển công suất vòng mở ....................................................... 38 2.3.2 Điều khiển công suất vòng kín ....................................................... 39 2.3.3 Điều khiển công suất lặp vòng ngoài ............................................. 42 2.4. Những vấn đề của kỹ thuật điều khiển công suất ............................ 43 2.4.1. Kích thước bước cập nhật công suất ............................................ 43 2.4.2. Lỗi ước lượng SIR .......................................................................... 46 2.4.3. Trễ vòng hồi tiếp ............................................................................. 47 2.4.4. Tốc độ cập nhật công suất ............................................................. 48 2.4.5. Tỉ lệ lỗi bit(BER) của kênh hồi tiếp ............................................... 48 2.4.6. Tác động của sự suy giảm mạnh ................................................... 49 Chương 3 kênh AWGN và Rayleigh fading ............................................... 50 3.1. Mô hình kên AWGN (Addtitive White Gaussian Noise) ................. 50 3.2. Mô hình kênh Rayleigh Fading .......................................................... 51 3.2.1 Mô hình kênh fading Rayleigh ....................................................... 52 2 3.2.2 Mô phỏng kênh Fading Rayleigh ................................................... 53 3.3. Chuỗi Gold ........................................................................................... 55 3.4. Lọc băng gốc ........................................................................................ 57 Chương 4 nghiên cứu tìm hiệu Các thuật toán ước lượng công suất .................................................................................................................. 59 4.1. Thuật toán EM (Expectation Maxximization) ................................. 59 4.2. Ước lượng giải tương quan (Decorrelating Estimator: DE) ........... 63 4.3. Phương pháp trung bình (Averaging Method) ................................ 65 Chương 5 Xây dựng chương trình thử nghiệm .......................................... 68 5.2 Thiết kế và xây dựng chương trình .................................................... 68 5.2.1. Các bước cơ bản trong chương trình ............................................ 68 5.2.2. Một số chương trình nguồn của các hàm cơ bản. ........................ 69 5.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm trên kênh AWGN ............................. 71 5.3.1 Đánh giá kết quả ba thuật toán dựa trên sai số bình phương trung bình (MSE) ............................................................................................... 71 5.3.2 Đánh giá kết quả của hệ thống 4 máy thuê bao và SNR thay đổi 76 5.3.3 Đánh giá kết quả của 3 thuật toán khi tỷ số tỷ số năng lượng bit của máy thuê bao trên tỷ số bit năng lượng mong muốn thay đổi. ........ 79 5.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm trên kênh Rayleigh Fading .............. 82 Kết luận .......................................................................................................... 90 Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 91 Phụ lục ............................................................................................................ 92 3 Bảng tra cứu các từ viết tắt A AWGN Addtitive White Gaussian Noise Tạp âm trắng–Gaussian–Cộng B BS Base station Trạm gốc BER Bit Errror Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CAC CLPC Điều khiển cuộc gọi Điều khiển công suất vòng kín Dải tần liên kết Call Admission Control Closed Loop Power Control Coherence bandwidth D DE Decorrelating Estimator DM DS/SS ICI ISI Delta Modulation Direct Sequence Spread Spectrum F Frequence Division Duplex Frequence Division Multiple Access First Generation Second Generation Third Generation I Inter Chip Interference Intersymbol Interference IS - 95 Interim Standard 95 FDD FDMA 1G 2G 3G Bộ đánh giá ước lượng giải tương quan Điều chế delta Trải phổ dãy trực tiếp Song công kiểu chia tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Thế hệ thứ nhất Thế hệ thứ hai Thế hệ thứ ba Nhiễu giao thoa giữa các chip Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu Tiêu chuẩn IS - 95 L LOS Loss of Signal M MAI Multiple Access Interference MLE Maximum Likelihood Estimation MMSE Minimum Mean Squared Error MSE Mean Squared Error MS Mobile Station Mất tín hiệu Nhiễu giao thoa đa truy cập Đánh giá độ hợp lý nhất Sai số trung bình bình phương Lỗi bình phương trung bình Trạm di động, máy thuê bao 4 di động O OFDM Orthogonal Frequency Division Điều chế trực giao phân chia Modulation theo tần số P PDF Probability Distribution Function Hàm phân bố xác suất PCC Power Control Command Lệnh điều khiển công suất PCE Power Control Error Lỗi điều khiển công suất PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PSK Phase Shift Keying PN Pseudo Code R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên S SDMA Space division Multiple Acess Đa truy cập phân chia theo không gian SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SVR Signal to Variance Ratio T TDD Time Division Duplex Song công kiểu chia thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian 5 Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 1.1 Phép đo thời gian trễ Hình 1.2 Các khe thời gian trong khung truyền dẫn Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CDMA kiểu DSSS Hình 1.4 Phổ các tín hiệu đầu vào máy thu Hình 1.5 Phổ các tín hiệu sau khi tương quan với mã trải phổ Hình 2.1 Một băng tần gốc của một user trong hệ thống CDMA Hình 2.2 Mô hình kênh CDMA hướng xuống Hình 2.3 Mô hình kênh CDMA hướng lên Hình 2.4 Cơ chế truyền vô tuyến Hình 2.5 Mối quan hệ giữa trải phổ tín hiệu trong miền thời gian và tần số Hình 2.6 Mỗi quan hệ giữa trải phổ Doppler và kênh thời gian (a) là hàm Hình 2.8 Mô hình điều khiển công suất vòng kín Hình 3.1 Hàm mật độ xác suất Rayleigh với  =1 Hình 3.2 Sơ đồ khối tạo ra các hệ số Rayleigh fading ở băng gốc Hình 3.3 Đường bao tín hiệu Rayleigh Fading với các tần số Doppler khác nhau Hình 3.4 Chuỗi Gold tự tương quan có chiều dài n = 63 Hình 3.5: Sơ đồ khối tạo ra chuỗi Gold có chiều dài 63 Hình 3.6: Tần số tương ứng của bộ lọc băng gốc Hình 4.1 : Sơ đồ thuật toán EM Hình 4.2. Sơ đồ khối thuật toán DE Hình 4.3. Sơ đồ khối thuật toán AM trên kênh Rayleigh Fading với user thứ i Hình 5.1.Kết quả của ba thuật toán khi SNR = -10dB Hình 5.2 Kết quả của ba thuật toán khi SNR = 0 dB Hình 5.3 Kết quả của ba thuật toán khi SNR = 10 dB Hình 5.4 Kết quả của ba thuật toán khi SNR = 20 dB 6 Hình 5.5. Kết quả khác nhau của 4 máy thuê bao với mức SNR khác nhau của thuật toán EM. Hình 5.6. Kết quả khác nhau của 4 máy thuê bao với mức SNR khác nhau của thuật toánDE Hình 5.7 Kết quả khác nhau của 4 máy thuê bao với mức SNR khác nhau của thuật toán AM Hình 5.8. Đánh giá kế quả của từng thuật toán với giá trị Ei/Ej thay đổi trường hợp SNR = 10dB. Hình 5.9. Đánh giá kế quả của từng thuật toán với giá trị Ei/Ej thay đổi trường hợp SNR = 0 dB. Hình 5.10. Kết quả 3 thuật toán trên 4 máy thuê bao trong hệ thống thông tin di động 20 máy thuê baoHình 5.11. Hình 5.11. So sánh kết quả của các user khác nhau ở cùng mức SNR của thuật toán EM trong một hệ thống 4 user. Fd = 80Hz Hình 5.12. So sánh kết quả của các user khác nhau ở cùng mức trung bình SNR thuật toán DE trong một hệ thống 4 user. Fd = 80Hz Hình 5.13. So sánh kết quả của các user khác nhau ở cùng mức SNR thuật toán AM trong hệ thống 4 user. Fd = 80Hz. Hình 5.14. So sánh kết quả của 3 thuật toán với tỉ lệ tạp âm trên tín hiệu Ei/Ej khác nhau trong hệ thống 4 user. SNR = 10dB, fd = 80Hz. n = 20 và giá trị khởi đầu = 0 với thuật toán EM Hình 5.15. So sánh kết quả của 3 thuật toán với tỉ số tạp âm trên tín hiệu Ei/Ej khác nhau trong một hệ thống 4 user. SNRj = 0. fd = 80dB. n = 20 và giá trị khởi đầu = 0 với thuật toán EM Hình 5.16. Kết quả của EM với số vòng lặp khác nhau. fd = 80Hz Bảng 2.1 Biểu thị fading đa đường trải phổ thời gian của tín hiệu Bảng 2.2 Tổng hợp biểu diễn fading như kênh thời gian thay đổi Bảng 2.3 Các đặc tính của kênh fading 7 Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa tốc độ của xe tải ứng với tần số Doppler lớn nhất Bảng 3.2 Hệ số của bộ lọc băng gốc 8 mở đầu Công nghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) đã tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực thông tin di động số. Nhờ tính năng ưu việt của mình như khả năng chuyển giao mềm, thu thập tín hiệu đa đường, công suất phát thấp, khả năng bảo mật cuộc gọi cao và đặc biệt là khả năng mở rộng dung lượng một cách mềm dẻo, linh hoạt mà công nghệ CDMA đang dần chiếm lĩnh thị trường thông tin di động cellular số. Một ngành công nghiệp dự đoán có tốc độ tăng trưởng rất cao. Từ thế hệ thứ nhất 1G chỉ cung cấp dịch vụ thoại, thế hệ 2G cung cấp thêm dịch vụ truyền số liệu với tốc độ thấp, ngày nay người ta đã phát triển đến thế hệ 3G nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ trước và cung cấp dịch vụ đa phương tiện. Sự phát triển đó không thể không kể đến kỹ thuật điều khiển công suất. Điều khiển công suất là một trong những yếu tố quan trọng nhất góp phần phát triển công nghệ thông tin di động như ngày nay. Do tầm quan trọng của điều khiển công suất trong hệ thống CDMA, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất dùng phương pháp ước lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA”. Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu các kỹ thuật cơ bản sử dụng để điều khiển công suất và đưa ra đánh giá hiệu quả thực hiện của ba giải thuật: ExpectationMaximization (EM), Decorrelating estimator (DE), Averaging method (AM) trên hai loại kênh AWGN và Rayleigh Fading từ đó chọn được giải thuật có hiệu quả điều khiển công suất tốt nhất. Nội dung của luận văn gồm có 5 chương: Chương 1. Tổng quan về điều khiển công suất Chương 2. Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Chương 3. Kênh AWGN và Rayleigh Fading Chương 4. Các thuật toán ước lượng công suất 9 Chương 5. Đánh giá kết quả thực hiện Do thời gian có hạn nên luận văn này không thể tránh khỏi sự thiếu sót, kính mong được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp của của các thầy cô và các bạn để bản luận văn này được hoàn thiện hơn. Nhân dịp này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của cô PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, cùng các thầy cô trong khoa công nghệ thông tin Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp cũng như hoàn thành bản luận văn này. Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2004 Học viên Trần Trọng Minh 10 Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ và công nghệ cdma 1.1. Tổng quan về kỹ thuật trải phổ 1.1.1.Khái niệm về kỹ thuật trải phổ Hệ thống thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin mà tín hiệu mã trải phổ có bề rộng phổ lớn hơn bề rộng phổ của tín hiệu. Trong trường hợp này mã sử dụng là độc lập với thông tin tín hiệu. Tại sao lại sử dụng kỹ thuật trải phổ trong hệ thống thông tin? Để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm đến chất lượng của hệ thống thông tin, người ta sử dụng hai tham số: + Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra. + Xác suất lỗi Pe. Dựa vào kết quả nghiên cứu về lý thuyết thông tin, người ta chỉ ra rằng: với một mức tạp âm đã cho, việc nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm không thể thực hiện một cách tuỳ tiện mà phải trả giá bằng một trong 3 cách sau: (1) Biện pháp 1.Tăng công suất của tín hiệu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm. Biện pháp này không phải lúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt trong các hình thức thông tin dùng nhiều phương tiện kỹ thuật phức tạp, hơn nữa công suất của nguồn tín hiệu còn bị ràng buộc bởi các công ước quốc tế về vấn đề mật độ phổ công suất. (2) Biện pháp 2. Tăng độ dài của tín hiệu, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống thông tin. Sử dụng phương pháp này nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhưng chúng ta phải trả giá là tốc độ truyền tin sẽ bị giảm. (3) Biện pháp 3: Trải rộng phổ tín hiệu 11 1.1.2. Các ưu điểm của hệ thống thông tin trải phổ 1.1.2.1. ưu điểm triệt nhiễu Máy thu có thể khắc phục được những ảnh hưởng của nhiễu gây ra cố ý như thế nào đặc biệt trong trường hợp công suất nhiễu lớn hơn nhiều công suất tín hiệu đã phát đi. Các nghiên cứu lý thuyết thông tin cổ điển về kênh tạp âm AWGN đã gợi ý để trả lời câu hỏi này. Tạp âm trắng Gaussian là một mô hình toán học, theo định nghĩa có phổ phân bố đều vô hạn trên tất cả các tần số, song chỉ có các thành phần tạp âm có mặt trong không gian tín hiệu (nói cách khác là các thành phần này chiếm các toạ độ giống như các thành phần của tín hiệu) mới có thể gây ra ảnh hưởng có hại. Lấy ví dụ như với một tín hiệu băng hẹp, điều đó có nghĩa là chỉ có các thành phần tạp âm trong độ rộng băng tín hiệu mới có thể làm giảm đặc tính của hệ thống. Ta có thể hiểu ý tưởng của hệ thống trải phổ chống nhiễu như sau: Có nhiều toạ độ tín hiệu trực giao hay các phân lượng phổ để thiết lập liên kết thông tin và chỉ có một tập con nhỏ của các toạ độ tín hiệu này được sử dụng ở một thời điểm nhất định. Chúng ta giả sử rằng phía gây nhiễu không xác định được tập con nào hiện đang được sử dụng. Với các tín hiệu có độ rộng băng W và thời gian tồn tại là T, số các phân lượng sẽ xấp xỉ là 2WT (một phân lượng phổ là một ô vuông có 1 chiều là đơn vị thời gian và một chiều là đơn vị phổ). Xét riêng đối với một loại tín hiệu, đặc tính lỗi của hệ thống là một hàm của tỉ số năng lượng bit trên tạp âm – ký hiệu là Eb/N0 . Đối với tạp âm trắng Gauss có năng lượng vô hạn, sử dụng trải phổ tín hiệu không cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống, nhưng với tạp âm có công suất cố định và phía gây nhiễu không biết toạ độ phổ của tín hiệu có ích thì việc trải phổ tín hiệu có ích sẽ cho phép cải thiện đặc tính của hệ thống. 12 1.1.2.2 ưu điểm mật độ năng lượng Trong các hệ thống trải phổ, phổ của tín hiệu được trải ra trên nhiều toạ độ, do vậy công suất trung bình của tín hiệu được trải đều và mỏng trên toàn bộ miền trải phổ. Sự trải phổ của tín hiệu không những hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu mà sự tồn tại của tín hiệu cũng khó phát hiện ra. Với bất kỳ máy thu nào không có bản sao được đồng bộ của mã trải phổ đã được sử dụng ở phía phát thì tín hiệu trải phổ dường như bị chìm trong nhiễu. 1.1.2.3 Ưu điểm tính phân giải thời gian lớn (tính bất định thời gian giảm). Trải phổ các tín hiệu có thể sử dụng được cho việc xác định cự ly hoặc vị trí. Việc xác định khoảng cách được thực hiện bằng cách đo thời gian trễ của xung khi nó đi qua kênh truyền dẫn. Sai số của phép đo thời gian trễ tỷ lệ nghịch với độ rộng băng của tín hiệu. Điều này có thể được minh hoạ dưới đây: Sai số của phép đo thời gian trễ t tỷ lệ với thời gian xác lập sườn trước của xung, t tỷ lệ nghịch với độ rộng băng W của tín hiệu, nghĩa là: t = 1/W Rõ ràng với độ rộng băng càng lớn thì phép đo cự ly càng chính xác. Qua kênh Gauss, phép đo lượng một lần trên một xung đơn thì có độ tin cậy thấp. Tuy nhiên với kỹ thuật trải phổ sử dụng mã trải phổ gồm một dãy dài các biến đổi đối cực (tín hiệu PSK nhị phân) thay thế cho xung đơn. Nhờ việc thu, dãy tín hiệu thu được tương quan trở lại bản sao nội tại (tại chỗ) và kết quả của phép đo tương quan được sử dụng để hoàn thành phép đo cự ly hay phép đo thời gian trễ một cách chính xác. Nói tóm lại, sử dụng kỹ thuật trải phổ trong việc đo lường cự ly: do phổ của tín hiệu trải phổ nên xung phát hẹp đi, thời gian xác lập sườn trước xung giảm nhỏ dẫn đến sai số của phép đo thời gian trễ nhỏ. Điều này nâng cao độ chính xác của phép đo lường cự ly. 13 Tín hiệu xung t Sai số t t: Thời gian xác lập sườn = 1/W Hình 1.1 Phép đo thời gian trễ 1.1.2.4 Ưu điểm đa truy nhập Các phương pháp trải phổ có thể được sử dụng như một kỹ thuật đa truy nhập, để chia sẻ nguồn thông tin giữa nhiều người sử dụng trong cùng một kiểu phân bố. CDMA là phương thức đa truy nhập phân chia theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ băng rộng. Phương thức này dựa trên nguyên tắc là mỗi người sử dụng được chỉ định một mã trải phổ duy nhất để phân biệt với người sử dụng khác phát đồng thời trên cùng một băng tần. Một trong những tính năng của kỹ thuật đa truy nhập là khả năng cung cấp thông tin một cách bí mật giữa những người sử dụng có các mã trải phổ khác nhau. Những người sử dụng không hợp lệ (người không có mã trải phổ) thì không dễ dàng can thiệp vào thông tin của người sử dụng khác. 14 1.2. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 1.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập Kỹ thuật đa truy nhập cho phép nhiều người sử dụng trên một phổ tần số có băng thông nhất định hiện đang có 3 phương pháp chính. 1.2.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Duplex Access) Trong đa truy nhập phân chia theo tần số, các băng thông khả dụng được chia thành nhiều kênh hẹp hơn. Mỗi một người dùng có một băng tần nhất định để truyền tín hiệu và nhận tín hiệu. Trong suốt quá trình cuộc gọi tiến hành, không có người sử dụng nào khác sử dụng cùng tần số. Mỗi một người dùng được chỉ định tần số cho hướng lên và hướng xuống. Độ rộng băng tần của các kênh được tạo ra rất thấp (30kHz) và mỗi kênh hỗ trợ cho một người sử dụng. 1.2.1.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) Phương pháp đa truy nhập chia theo thời gian chia phổ sử dụng thành các khe thời gian, phân định thứ tự khe thời gian cho người dùng để sử dụng truyền và nhận tín hiệu. Hình 1.2 sau đây chỉ ra các khe thời gian ấn định cho người dùng như thế nào trong một khung truyền dẫn. Hệ thống đa truy nhập phân chia thời gian truyền số liệu theo phương pháp đệm và burst, vì vậy thông tin truyền trên đó là không liên tục. Số liệu đầu vào được chờ đệm và truyền đi trong khung tiếp ngay sau đó trên một khe thời gian tại khung truyền dẫn và tồn tại dưới dạng một kênh thông tin. Ch1 Ch2 Frame … ChN Ch1 Ch2 … ChN Time Hình 1.2 Các khe thời gian trong khung truyền dẫn 15 TDMA không thể gửi thông tin một cách trực tiếp vì cần có các điểm chuyển tiếp vì vậy hệ thống này chỉ sử dụng cho các thông tin dạng số. TDMA thường sử dụng kết hợp với FDMA để chia tổng số băng thông khả dụng thành nhiều kênh nhỏ hơn. Phương pháp này làm giảm số người sử dụng trên kênh và cho phép các đường số liệu thấp được sử dụng, cũng như làm giảm hiệu ứng trễ trải phổ trong truyền dẫn. Mỗi một kênh chia theo FDMA lại có các khoảng thời gian ấn định cho theo TDMA. Kiểu truyền dẫn này thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thể hệ thứ 2. Đối với GSM tổng số độ rộng băng thông là 25Mhz được chia thành 125,200KHz nhờ việc sử dụng FDMA, các kênh này tiếp tục chia thành 8-16 người sử dụng. 1.2.1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Định nghĩa: Đa truy nhập phân chia theo mã là phương thức đa truy truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng sử dụng có thể: - Được phép hoạt động đồng thời - Hoạt động tại tần số khác nhau - Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không nhiễu sang thông tin của đối tượng sử dụng khác nhau. Đa truy cập phân chia theo mã là kỹ thuật trải phổ sử dụng cả cá kỹ thuật FDMA và TDMA. Trong công nghệ CDMA các bản tin băng hẹp (ví dụ là các số liệu thoại được số hoá) được ghép thành các tín hiệu có độ rộng băng lớn sử dụng các mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PN). Tất cả người dùng trong một hệ thống CDMA sử dụng trên cùng một tần số và cùng được phát đồng thời. Tín hiệu phát được khôi phục bởi tương quan giữa tín hiệu thu được với mã PN của máy phát. 16 Một trong những khái niệm quan trọng nhất để hiểu rõ kỹ thuật trải phổ là độ lợi xử lý. Nếu băng thông được định nghĩa bằng W(Hz) và tốc độ truyền thông tin R (bit/s) thì tỷ số W/R là độ lợi xử lý hay dãn dải thông. Trong các hệ thống CDMA thông thường đạt tới 100-1.000.000 lần hay (20-60dB). Như vậy độ lợi xử lý sẽ tỷ lệ thuận với độ rộng băng thông trải phổ. Số liệu được truyền sẽ được trải trước khi truyền dẫn bởi quá trình điều chế bằng mã PN. Trong ví dụ sau đây chỉ ra độ lợi xử lý là 125 có nghĩa là độ rộng băng thông lớn gấp 125 lần băng tần gốc của người sử dụng. Các tín hiệu thu được khôi phục bởi các mã trải phổ nguyên gốc đã phát. Các tín hiệu mong muốn thu được lọc để loại bỏ các tín hiệu tạp âm và xuyên nhiễu. CDMA thực hiện được nhờ điều chế các tín hiệu số liệu bằng các dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (PN). Với tốc độ chip lớn hơn rất nhiều tốc độ dữ liệu. Các mã PN là các mã có các giá trị o và 1 (gọi là chip), là một dãy ngẫu nhiên độc lập mà trong tài liệu về lý thuyết xác suất người ta gọi là dãy Berrnoulli gần giống một chuỗi tuần hoàn quyết định dài, có thể tạo ra được bởi một phép toán tuyến tính đơn giản được quy định bởi một số lượng vừa phải các tham số nhị phân. Do đó biến số ngẫu nhiên duy nhất là điểm khởi đầu của chuỗi. Đó là các dãy giả ngẫu nhiên khi mà nó có các quyết định gần thoả mãn các quy luật ngẫu nhiên (tần suất tương đối, khoảng chạy, tính đồng đẳng với dãy gốc). Trong kỹ thuật trải phổ các số liệu được chia thành hai kiểu chính mã ngắn có chiều dài 10-128 chip có thể sử dụng để điều chế mỗi một bit số liệu. Kiểu mã dài PN có thể sử dụng tới hàng nghìn tới hàng triệu chip trong một dãy và tăng tính bảo mật nhưng cũng sẽ làm cho quá trình giải mã khó khăn thêm. 1.2.2 Hoạt động của hệ thống CDMA Ta xét hoạt động của một hệ thống CDMA kiểu trải phổ dãy trực tiếp (DS/CDMA Direct sequence Code Division Multiple Access). 17 Trong hệ thống CDMA, vì tất cả các đối tượng sử dụng có thể phát đồng thời trên toàn bộ bề rộng băng tần của hệ thống nên nhất thiết phải dành cho mỗi đối tượng sử dụng một mã riêng để việc phát thông tin của họ có thể nhận biết được. Sự bí mật này đạt được nhờ vào việc sử dụng các mã gần như trực giao để hàm tương quan chéo của hai mã khác nhau gần bằng không. Các hệ thống CDMA làm việc không đồng bộ, nghĩa là mọi đối tượng sử dụng đều có thể bắt đầu phát thông tin tại bất kỳ lúc nào và khả năng thời điểm chuyển tiếp các ký hiệu liên lạc của đối tượng sử dụng này trùng với các đối tượng sử dụng khác không thể xảy ra. Điều này giúp cho việc đồng bộ mạng đơn giản hơn nhưng lại gây phức tạp cho khâu thiết kế mã. Sóng mang Acos0t C3(t).S3(t) C2(t).S2(t) … Cn(t).Sn(t) C21(t).S1(t) C1(t).C2(t).S2(t) C1(t).Cn(t).Sn(t) Bộ điều chế Tới bộ giải mã thông thường Mã C1(t) Mã C1(t) Máy thu Máy phát Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CDMA kiểu DSSS Sơ đồ khối hệ thống DS/CDMA được trình bày trong hình trên. Khối thứ nhất mô tả sự điều chế sóng mang Acos0t bởi dữ liệu. Tín hiệu lối ra bộ điều chế dữ liệu thuộc quyền sở hữu của đối tượng sử dụng nhóm 1, S 1(t), được trình bày dưới đây ở dạng thông thường không hạn chế kiểu điều chế dữ liệu mà có thể sử dụng được: S1(t) = A1(t)cos[0t +(t)] (1.2) 18 Tiếp theo tín hiệu sóng mang đã bị điều chế bởi dữ liệu được nhân với mã trải phổ C1(t) thuộc quyền sở hữu của đối tượng sử dụng nhóm 1 và kết quả của C1(t)*S1(t) sẽ được phát đi qua kênh truyền dẫn để tới máy thu. Đồng thời các đối tượng sử dụng từ nhóm 2 tới nhóm n cũng nhận tín hiệu của họ với các hàm mã mà họ sử dụng. Mỗi hàm mã được giữ bí mật và việc sử dụng nó được hạn chế cho một nhóm và các đối tượng sử dụng hợp lệ. Tín hiệu có được tại máy thu là tổ hợp tuyến tính của các tín hiệu phát ra nhiều đối tượng sử dụng. Bỏ qua sự trễ tín hiệu ta xét tổ hợp tuyến tính dưới đây: C1(t)*S1(t) + C2(t)*S2(t) + … + Cn(t)*Sn(t) (1.3) Như đã trình bày ở trên, việc nhân S1(t) với C1(t) tạo ra tín hiệu mà phổ của nó là tích chập của phổ S1(t) với phổ của C1(t). Do vậy nếu giả thiết phổ của tín hiệu S1(t) tương đối hẹp so với phổ của C1(t) thì tín hiệu C1(t)*S1(t) sẽ có phổ rộng xấp xỉ phổ của C1(t). Cũng giả thiết máy thu được cấu tạo để các tin tức từ đối tượng sử dụng nhóm 1 và mã C 1(t) được tạo ra tại máy thu hoàn toàn đồng bộ với tín hiệu mã thu được từ đối tượng sử dụng tương ứng. ở máy thu, bước đầu tiên là nhân tín hiệu thu được với C 1(t), tín hiệu lối ra bộ nhân sẽ bao gồm: * Tín hiệu mong muốn: C21(t)*S1(t). * Cộng với các thành phần tín hiệu không mong muốn: C1(t)*C2(t)*S2(t) + C1(t)*C3(t)*S3(t) + … + C1(t)*Cn(t)*Sn(t) (1.3) Nếu các mã Ci(t) được chọn có đặc tính trực giao, xét trong trường hợp không có nhiễu thì tín hiệu có ích sẽ được tách trở lại hoàn toàn và các tín hiệu không mong muốn sẽ bị triệt tiêu do: T C 2 i (t )dt  1 với i = j xC Tj (t )dt  0 với i 0 T C T i 0