1 nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz
Information
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ
1.2 Mã trải phổ
1.2.1 Các mã Walsh
1.2.2 Các mã PN
1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp
1.3.1 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
1.3.2 ảnh hưởng của đường truyền tới hệ thống CDMA
1.3.2.1 Phân tích đường truyền sóng
1.3.2.2 Hiện tượng che tối
1.3.2.3 Fading Rayleigh đa đường
1.3.2.4 Trễ đa đường
1.3.3 Các phương pháp mã hóa
1.3.3.1 Mã hóa nguồn
1.3.3.2 Mã hóa kênh
1.3.3.3 ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS
1.3.3.4 ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS
1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA
Chương II. Dung lượng và đường truyền CDMA
2.1 Dung lượng của hệ thống CDMA
2.1.1 Dung lượng của một cell đơn
2.1.2 Hiệu ứng của tải
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại
2.1.5 Kết luận
2.2 Đường truyền trong CDMA

1.1.1 Các m Walshã 10
1.1.2 Các m PNã 11
1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp13
1.1.3 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
16
1.1.4 ảnh hởng của đờng truyền tới hệ thống CDMA17
1.1.4.1Phân tích đờng truyền sóng 17
1.1.4.2Hiện tợng che tối 20
1.1.4.3Fading Rayleigh đa đờng 21
1.1.4.4Trễ đa đờng 23
1.1.5 Các phơng pháp m hóaã 25
1.1.5.1Mã hóa nguồn 26
1.1.5.2Mã hóa kênh 29
1.1.5.3ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS
34
1.1.5.4ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS 36
1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA 40
Chơng II. Dung lợng và đờng truyền CDMA 41
2.1 Dung lợng của hệ thống CDMA 41
2.1.1 Dung lợng của một cell đơn 41
2.1.2 Hiệu ứng của tải 42
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa 44
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại 46
2.1.5 Kết luận 46
2.2 Đờng truyền trong CDMA 47
2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng 47
2.2.2 Đờng xuống 47
2.2.2.1Kênh Pilot 47
2.2.2.2Kênh đồng bộ 48
2.2.2.3Kênh tìm gọi 50

2000
International Mobile
Telecommunications
Các tiêu chuẩn viễn thông di động
toàn cầu 2000
IS95
CDMA
95
Interim Standard 95 Chuẩn thông tin di động CDMA
của Mỹ (do Qualcom đề xuất)
Long Code PN Chuỗi PN mã dài chu kỳ 2
42
1
MS Mobile Station Máy di động
DS-SS Direct Squence Spread
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
5
Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ
6
Mở đầu
Trong những năm gần đây, thông tin di động đã và đang đợc triển khai với các công
nghệ khác nhau ở nhiều quốc gia, mạng viễn thông ngày càng trở nên phức tạp có xu
hớng hội tụ nhiều công nghệ dịch vụ mới, đem lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai
thác và lợi ích cho ngời tiêu dùng, thúc đẩy các ngành kinh tế khác cùng phát triển.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng cao, mạng thông tin di động
mới ra đời phải có nhiều u điểm nổi bật và không ngừng đợc cải tiến về kĩ thuật. Yếu
tố mà ngời sử dụng di động quan tâm là vùng phủ sóng và chất lợng mạng. Hiện nay
hai mạng Vinaphone và Mobilphone đang sử dụng công nghệ GSM 2.5 vẫn cha đáp
ứng đợc hai yêu cầu này. Số lợng thuê bao di động tăng trởng quá nhanh trong những

đợc gọi là hệ số trải
phổ hoặc tăng ích xử lý, hệ số trải phổ này có giá trị từ 100 đến 1000000 tức là từ 20
dB đến 60dB.
Hình 1. Băng tần trải phổ ở phía thu và phát
Có 3 tiêu chuẩn bắt buộc đối với hệ thống trải phổ:
Có bề rộng phổ lớn hơn nhiều so với bề rộng phổ cần thiết để truyền tín hiệu.
Việc mở rộng phổ dựa vào tín hiệu đặc biệt gọi là mã trải phổ, hoàn toàn độc lập với
dữ liệu.
Phía thu dựa vào bản sao của mã trải phổ để nén phổ trở lại nh phổ ban đầu.
Bản chất của mã trải phổ: đó là một dãy bít ngẫu nhiên tuần hoàn có chu kì tơng đối
lớn và thỏa mãn các tiêu chẩn ngẫu nhiên. Với đối tác thì hoàn toàn xác định còn đối
với bên ngoài thì thâm nhập vào dãy ở một thời điểm nào đó là hoàn toàn ngẫu nhiên
vì vậy mà gọi dãy mã này là giả ngẫu nhiên (pseudo-random, giả tạp âm: PN- pseudo-
noise).
Do những đặc điểm trên mà hệ thống trải phổ có 4 u điểm chính:
Chống nhiễu phá: nhiễu thâm nhập vào tín hiệu có ích, bị trải phổ trong bớc nén phổ
có ích, làm mật độ năng lợng nhiễu giảm mạnh tỉ lệ với hệ số trải phổ.
Giảm mật độ năng lợng của tín hiệu phát theo độ tăng ích xử lý
Khả năng bị thu trộm thấp khi hệ số trải phổ tăng.
Mở ra phơng thức phân đờng mới (theo mã) cho phép nhiều ngời sử dụng đồng thời
dùng chung một băng tần và ở trong cùng một vùng địa lý, tỉ lệ với hệ số trải phổ.
Nhiễu phá
(Jamming)
Tín hiệu có
ích


ss
Phía
phát

các tín hiệu là trực giao và không gây nhiễu. Nhng trong đa truy nhập phân chia theo
mã (CDMA), tín hiệu của nhiều ngời dùng chiếm cùng băng thông ở cùng thời gian
nhng đợc phân biệt bằng các chuỗi mã trực giao. Hai dạng sóng có giá trị thực x và y
đợc gọi là trực giao nếu tơng quan chéo của chúng R
xy
(0) trong khoảng T bằng 0,
nghĩa là:
Trong miền rời rạc, hai chuỗi x và y là trực giao nếu tích chéo (Cross product)
R
xy
(0)=0 nghĩa là:
R
xy
(0) = X
T
Y= x
i
y
i
Với X
T
=[x
1
,

x
2
, .x
I
]

một đơn vị
Tích điểm của mỗi mã bằng 1
1.1.1 Các mã Walsh
Mã Walsh đợc sử dụng để phân biệt cho những ngời dùng khác nhau sử dụng chung
băng tần RF ở đờng xuống. Mã Walsh đợc sử dụng trong IS95 CDMA là một bộ
chuỗi mã trực giao 64.
Chuỗi Walsh đợc tạo bởi ma trận Hadamard. Dùng tính chất đệ quy để tạo ra các ma
trận Hadamard lớn từ các ma trận Hadamard bé hơn:
Với là ma trận nghịch đảo của H
N
. Ma trận gốc là:
Để tạo ra một bộ 4 chuỗi Walsh trực giao w
0
, w
1
, w
2
, w
3
chúng ta chỉ cần tạo một ma
trận Hadamard bậc 4 là:
Bốn chuỗi trực giao trong bộ mã Walsh này đợc lấy ra từ 4 hàng của ma trận H
4
đó là:
Các mã này đều thỏa mãn 3 điều kiện cần thiết đã nêu.
Bằng việc thay đổi các số 0 thành 1 trong bốn chuỗi trên ta có:
10
Biểu thức H
2N
có thể đợc sử dụng đệ quy để tạo ra các ma trận Hadamard có bậc cao

1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp
Hình 1.3 minh họa nguyên lý của một sơ đồ đa truy nhập trải phổ trực tiếp. Chúng ta
xét hai tín hiệu của hai ngời dùng khác nhau cùng phát đồng thời hai bản tin riêng
biệt, m
1
(t) và m
2
(t) cùng phát ở một băng tần và cùng thời gian. Hai bản tin này đợc
nhân tơng ứng với hai mã trực giao c
1
(t) và c
2
(t) chính là 2 mã trực giao x và y đã đợc
đề cập ở phần trớc. Kết quả tích số đợc đa vào bộ cộng và đợc phát vào kênh truyền.
Hình 1. Nguyên lý DS-SS
Trong trờng hợp này chúng ta giả định rằng có sự đồng bộ hoàn toàn ở máy thu. Nếu
các lỗi không đáng kể ở kênh truyền thì các bản tin
m
~
1
(t) và
m
~
2
(t) sẽ tơng ứng với
các bản tin m
1
(t) và m
2
(t). Giả sử bản tin m

là chu kỳ của một
chíp của mã trực giao). Trong ví dụ này tốc độ chíp (1/T
c
) của mã trực giao gấp 4 lần
tốc độ bít (1/T
b
). Vì thế chúng ta có hệ số mở rộng băng tần là 4.
Hệ số mở rộng băng tần đôi khi đợc gọi là độ lợi xử lý W/R với W là băng thông của
bản tin sau khi trải phổ và R là độ rộng băng của bản tin băng tần gốc. W tơng đơng
13
với 1/T
c
, R tơng đơng với 1/T
b
, với tính toán trên cho thấy độ lợi xử lý là 4 hay 6 dB.
Băng tần sau khi trải phổ bằng các mã trực giao thì có độ rộng lớn hơn băng tần bản
tin gốc.
Hình 1. Dạng sóng và phổ của các tín hiệu
Hình 1.5 chỉ ra các dạng sóng ở các điểm thu khác nhau trên hình 1.3. Tín hiệu ở
điểm A là tín hiệu kết hợp của tổng hai bản tin trải phổ. Để thu đợc 2 bản tin riêng
biệt từ phổ kết hợp, ta nhân bản tin kết hợp này với hai mã trực giao tơng ứng để đợc
hai tín hiệu riêng biệt ở B1 và B2.
Hình 1.6 chỉ ra tín hiệu ở các điểm C1 và C2 trong hình 1.3, đầu ra
m
~
1
(t) và
m
~
2

đều bằng nhau tại BS.
Vấn đề thứ hai là tơng quan phần tử, khi không có sự đồng bộ của các máy phát dùng
chung băng tần.Thậm trí khi các máy phát đợc đồng bộ nhng vẫn có hiện tợng trễ
truyền sóng gây ra sự lệch pha. Chúng ta xem xét ví dụ hai mã trực giao hoàn toàn khi
chúng không lệch pha:
Tuy nhiên nếu y
i
bị trễ 1 chíp do truyền sóng trong di động thì sẽ có
Ta dễ dàng thấy hai chuỗi này không trực giao nhau. Nh vậy nếu các mã không trực
giao nhau vì do không đợc đồng bộ hoặc do trễ truyền sóng thì các bản tin đa truy
nhập ở cùng băng tần có thể không thể tách riêng ra khỏi tín hiệu tổng hợp. Kết quả
dẫn đến xuyên âm tơng quan và gây nhiễu lẫn nhau. Nh vậy một yêu cầu cần thiết nữa
là:


=+


T
dttytx
0
0)()(



=+
T
T
dtTtytx


thiết kế RF.
Điều thuận lợi thứ 3 đó là khả năng của CDMA giảm đợc méo đa đờng. Nếu méo đa
đờng đợc xác định trớc theo thời gian thì có thể loại bỏ một cách hiệu quả thông qua
việc cân bằng thích ứng. Mặt khác nếu nó biến đổi liên tục theo thời gian ở môi trờng
di động thì khó làm thích nghi nhanh đợc. Kết quả méo đa đờng thờng gây tác hại xấu
trong hệ thống băng hẹp, nhng sẽ ít bị ảnh hởng ở tín hiệu băng rộng trải phổ. Hơn
nữa trong hệ thống CDMA có thể dùng các bộ thu quét (rake), tất cả các tín hiệu đi
theo các đờng truyền khác nhau đợc điều chế và đợc sử dụng.
1.1.4 ảnh hởng của đờng truyền tới hệ thống CDMA
1.1.4.1 Phân tích đờng truyền sóng
Tỉ số C/N
Bất kỳ hệ thống thông tin nào, chúng ta cũng cần phải xem xét thông số quan trọng là
tỉ số sóng mang trên tạp âm (C/N) ở máy thu. Đây là thông số tổng quát chung cho
các hệ thống thông tin. Thông số này cho ta biết công suất tín hiệu đợc so sánh với
công suất tạp âm qua kênh truyền là bao nhiêu, vì thế C/N có thể đợc coi là hệ số
phẩm chất của hệ thống thông tin. Công thức đờng truyền đợc tính toán nh sau:
)1.2(
).(
N
GLERP
N
C
rP
=
L
p
là suy hao truyền sóng trên kênh truyền
G
r


nhiệt độ tạp âm máy thu. Những thông số này đợc ngời thiết kế tính toán tối u. Tuy
nhiên, giá trị về suy hao đờng truyền nằm ngoài khả năng của ngời thiết kế.
Suy hao đờng truyền
Suy hao truyền sóng là sự suy giảm của tín hiệu khi truyền từ phía phát đến phía thu.
Có nhiều mô hình truyền sóng để tính toán mức suy hao nhng tất cả đều dựa vào
thông số chính là khoảng cách từ máy phát đến máy thu. Nói cách khác suy hao
truyền sóng phụ thuộc lớn vào khoảng cách giữa thu- phát. Những ảnh hởng khác
cũng đợc tính toán thêm. Ví dụ trong thông tin vệ tinh ảnh hởng của khí quyển, hấp
thụ do ma có ảnh hởng lớn đến việc xác định công suất tín hiệu thu. ở đây xem xét ba
mô hình truyền sóng cơ bản; truyền sóng trong không gian tự do, mô hình Lee, và mô
hình Hata.
1. Mô hình truyền sóng trong không gian tự do
Trong không gian tự do, các sóng điện từ bị suy giảm theo một hàm nghịch đảo bình
phơng đối với khoảng cách giữa thu- phát. Dạng biểu thức tuyến tính ta có:
)4.2(
2
2
4
d
p
L


=
là bớc sóng của tín hiệu
Tính theo dB ta có:
L
p
= -32,4-20log(f)-20log(d) (2.5)
d[km], f[Hz], L

d là khoảng cách giữa máy thu- phát
h là độ cao anten BS
Dới dạng dB biểu thức trở thành:
L
p
= -129,45-38,4log(d
[km]
)+ 20log h
[m]
độ dốc là -38,4 dB/decade
3. Mô hình Hata
Mô hình Hata đợc ứng dụng trong truyền sóng thông tin di động mặt đất. Mô hình
này đợc dựa trên những thực nghiệm có phạm vi ứng dụng ở môi trờng đô thị. Tính
theo đơn vị dB ta có:
Với các giá trị của K nh sau:
K
1
=69,55 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz
K
1
=69,55 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz
K
2
=26,16 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz
K
2
=33,9 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz
f là tần số sóng mang tính theo MHz
h
b

2
4,97 và K
0
= 3 dB cho môi trờng đô thị đông đúc
19
Hình 1. Suy hao đờng truyền của các mô hình truyền sóng
(Độ cao BS là 30 mét, sóng mang có tần số 881,5 MHz, độ cao của MS là 1.5 mét
trong môi trờng đô thị thông thờng)
Kết luận; Tất cả các mô hình truyền sóng đều có thể đợc viết theo một công thức
chung;
L
p
=-L
0
- log (d)
L
0
là hằng số còn là độ dốc
Độ dốc là một hệ số chỉ ra công suất tín hiệu bị giảm nh thế nào theo hàm khoảng
cách, ở hình 1.7 chỉ ra ba mô hình truyền sóng: môi trờng tự do, Lee, Hata độ dốc t-
ơng ứng của các mô hình này là: -20dB/decade, -38,4dB/decade,-35,2dB/decade
Các mô hình này là những dự báo có độ chính xác thay đổi từ 6 đến 8 dB khi so sánh
với các số đo về trờng.
Độ chính xác có thể tăng nên bằng việc tích hợp các kết quả đo trờng với mô hình. Ví
dụ trong thực tế lấy các số đo trờng và tính toán độ dốc của mô hình đợc sử dụng khi
biết chắc chắn khoảng cách từ BS đến MS.
Hạn chế của ba mô hình này là không thể ớc tính cho các vùng MicroCell, vùng phủ
sóng microcell có khoảng cách rất gần BS thờng thì nhỏ hơn 1 dặm. Vì thế khi tính
toán cần có các mô hình microcell chuyên nghiệp khác để sử dụng.
1.1.4.2 Hiện tợng che tối

] ]
)2sin()2[sin()2cos()2[cos(
1
,
1
,

==
+
N
n
nDn
N
n
nDn
tfftRtfftR

Mỗi đờng phản xạ có một biên độ R
n
và tần số sóng mang f, dịch tần f
D, n
của mỗi tín
hiệu phản xạ là do hiệu ứng Doppler khi MS di chuyển. Nếu tín hiệu đợc truyền đi
song song theo hớng di chuyển của MS thì dịch tần Doppler là:
với là vận tốc chuyển động của MS
Tín hiệu thu đợc biểu diễn ở dạng pha và thành phần vuông góc là:
ở đây thành phần đồng pha là:
và thành phần vuông góc là:
Các số hạng của các tổng ở trên là các biến số ngẫu nghiên độc lập với nhau và có sự
phân bố tơng tự nhau. Vì thế nếu N lớn thì cả R

Sự dịch tần Doppler cho hai trờng hợp này là:
1.1.4.4 Trễ đa đờng
Hiện tợng đa đờng xảy ra khi các tín hiệu đến máy thu là trực tiếp và gián tiếp do đ-
ờng truyền phải đi qua các vật cản hoặc bị phản xạ qua các vật cản. Số lợng các tia
phản xạ phụ thuộc vào góc tới, tần số mang, phân cực của sóng tới. Vì độ dài đờng
truyền khác nhau giữa các đờng trực tiếp và các đờng phản xạ, nên tín hiệu sẽ thu đợc
ở các thời điểm khác nhau qua các khoảng cách khác nhau. Hình 1.9 minh họa khái
niệm này:
Hình 1. Ví dụ về sự kéo dài của trễ
Tại thời điểm t=0 phát một xung; giả định có vô số đờng phản xạ, một máy thu đợc
đặt cách xa 1 km đã phát hiện ra một loạt xung, hay delay spread.
Nếu sự khác nhau về thời gian t là đáng kể so với một chu kỳ kí hiệu thì giao thoa
giữa các ký tự (ISI) có thể xảy ra, nói cách khác các ký hiệu đến sớm hơn hoặc chậm
hơn so với một chu kì ký hiệu có thể làm sai lạc thông tin. Vì sự kéo dài của trễ và
khác với đờng truyền cố định nên một hệ thống tốc độ cao sẽ chịu ISI ( nhiễu giao
thoa ký hiệu).
Ví dụ 1.2 xác định sự kéo dãn của trễ chỉ ra ở hình 1.8 sẽ gây ra giao thoa ký hiệu đối
với một hệ thống di động với tốc độ số liệu là 270,83kb/s:
23
Vì chu kì bít xấp xỉ bằng độ trễ đợc chỉ ra ở hình 2.3 nên ISI có thể xảy ra trong tình
huống này nếu không sử dụng bộ cân bằng.
Ví dụ 1.3 Xác định giá trị kéo dài của trễ ( delay spread) sẽ gây ra cho hệ thống
CDMA tốc độ 1,2288 Mb/s:
Trễ trong trờng hợp này lớn hơn nhiều so với chu kỳ bít nên giao thoa (ISI) sẽ xảy ra
thờng xuyên. Tuy nhiên hệ thống CDMA IS 95 sử dụng phân tập thời gian để khôi
phục tín hiệu. Hệ thống sử dụng một bộ thu quét rake để khôi phục tín hiệu. Hệ thống
sử dụng một bộ thu quét rake để khóa các thành phần đa đờng khác nhau. Nếu một
chuẩn thời gian đợc định trớc, thì các thành phần đa đờng có thể đợc nhận dạng một
cách riêng biệt đợc coi nh hồi âm (tiếng dội) của tín hiệu đợc phân biệt theo thời gian.
Thành phần đợc nhận dạng riêng biệt này của tín hiệu thu có thể đợc đa vào pha và

chuyển thông tin từ băng gốc sang một dạng sóng thông dải (RF) để có thể phát qua
máy phát. Phía máy thu thì có các quá trình ngợc lại, các tín hiệu đợc thu qua máy thu
đợc giải điều chế chuyển từ RF sang băng tần cơ sở. Sau đó hàm đa truy nhập sẽ tách
các tín hiệu của các ngời dùng khác nhau đang dùng chung phổ tần. Giải mã hóa kênh
sửa các lỗi do kênh truyền gây ra. Hàm giải mã nguồn chuyển thông tin ở băng tần cơ
sở thành tín hiệu ban đầu.
25