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--------39
Chơng II. Dung lợng và đờng truyền CDMA---------------------------40
2.1 Dung lợng của hệ thống CDMA------------------------------40
2.1.1 Dung lợng của một cell đơn---------------------------40
2.1.2 Hiệu ứng của tải-------------------------------------------------41
2.1.3 Hiệu ứng sector hóa-----------------------------------------43
2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại-------------------45
2.1.5 Kết luận-------------------------------------------------------------45
2.2 Đờng truyền trong CDMA---------------------------------------46
2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng--------------------------------46
2.2.2 Đờng xuống--------------------------------------------------------46
2.2.2.1Kênh Pilot.............................................................................46
2.2.2.2Kênh đồng bộ.......................................................................47
2.2.2.3Kênh tìm gọi..........................................................................49

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 h-
ớng 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 đ-
ợc hai yêu cầu này. Số lợng thuê bao di động tăng trởng quá nhanh trong những năm
qua đã vợt quá khả năng phục vụ của hai mạng này, gây ra nghẽn mạch thờng xuyên,
chất lợng cuộc gọi kém. Với dân số hơn 80 triệu dân, tỉ lệ sử dụng di động hiện nay còn

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
Tín hiệu có
ích
Nhiễu phá


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
]
Y
T
= [y
1
,

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
hơn để tạo đợc một bộ lớn chuỗi trực giao. Ví dụ để tạo 8 chuỗi trực giao, mỗi chuỗi có
độ dài 8 có thể đạt đợc bằng ma trận H
8
.
IS95 CDMA đờng xuống sử dụng một bộ chuỗi Walsh trực giao 64, vì vậy giới hạn vật

(t) và m
2
(t) cùng phát ở một băng tần và cùng thời gian. Hai bản tin này đợc nhân t-
ơng 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
1
là (+1 1 +1) và m
2
là (+1 +1 1). Hình 1.4
mô tả dạng sóng và phổ của hai bản tin m

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 với
13
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
(t) của
ngỡng ra quyết định và bản tin
m
~
1
(t) và

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


0)()(
Vì thế tính trực giao đơn giản giữa hai chuỗi mã là vẫn cha đủ cho hệ thống DS-SS. Sự
tơng quan phần tử của hai chuỗi mã ở trên cần phải bằng không hoặc có giá trị rất bé
đối với bất cứ giá trị nào phù hợp với hệ thống.
1.1.3 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động
Trớc hết, một hệ thống CDMA có thể dễ dàng thực hiện đợc việc truyền tiếng nói của
con ngời. Trong lúc đàm thoại giữa hai ngời thì thời gian thực tế đàm thoại mỗi bên

1.1.4.1Phân 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

là độ lợi anten thu
N là công suất tạp âm hiệu dụng
ERP= P
t
L
c
G
t
: công suất phát xạ hiệu dụng (Effective Radiated Power) từ anten phát.

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
p
[dB], tốc độ tín hiệu bằng vận tốc ánh sáng c=f
Các số hạng thứ nhất và thứ hai ở (2.5) là hằng số còn lại L
p
phụ thuộc vào d nếu chúng
ta vẽ đồ thị của biểu thức trên ở dạng Log thì độ dốc của đờng cong sẽ là -20dB/decade.
Mô hình không gian tự do đợc dựa trên khái niệm trải rộng hình cầu wave front là tín
hiệu phát xạ từ một nguồn điểm trong không gian. Nó chủ yếu đợc ứng dụng trong
thông tin vệ tinh. Còn đối với hệ thống thông tin di động, nơi mà suy hao do trớng ngại
vật trên mặt đất và các suy hao khác thì cần các mô hình khác để việc tính toán suy hao

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
là độ cao anten BS tính bằng mét
h
m
là độ cao của MS tính bằng mét
d là khoảng cách tính theo Km từ BS đến MS
Các tham số này chỉ áp dụng cho:
h
b
có giá trị từ 30 mét đến 200 mét
h
m

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 tơng 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.
1.1.4.2Hiện tợng che tối
Công suất tín hiệu ở đờng truyền trực tiếp suy giảm tơng đối chậm khi MS di chuyển xa
BS. Nhng khi MS đi ra xa BS thì có những chớng ngại vật chắn đờng truyền sóng trực
tiếp ( nh nhà cửa, cây cối, xe cộ,...) thờng gây ra sự suy giảm công suất thu. Sự suy
giảm này gây ra ở nhiều bớc sóng mang và gọi là fading chậm, ảnh hởng của che tối c-
ờng độ tín hiệu thay đổi chậm. Đôi khi ngời ta gọi fading này là fading chuẩn loga, vì
fading chậm đợc thực hiện theo mô hình phân phối log-normal với công suất trung bình
và độ lệch chuẩn. Vùng giảm tín hiệu đợc gọi là chỗ trũng fading. Thời gian giữa hai
trũng fading thờng vài giây nếu MS đợc đặt trên xe di động. Ta có thể hình dung fading
20
chậm là sự biến đổi công suất chậm ở đỉnh của giá trị trung bình, sự thay đổi này đợc
mô tả bằng phân bố xác xuất log_normal.

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
I
(t) và R
Q
(t) trở thành hàm biến đổi ngẫu
nhiên Gaussian có giá trị trung bình bằng 0. Hình bao của tính hiệu là:
có phân bố Rayleigh
Vì thế hàm mật độ xác suất là:
và p(R)=o với R<0
21
Một cách để hình dung loại fading này là mô tả một BS phát một sóng mang cha đợc
điều chế với một giá trị đờng bao không đổi. Dạng sóng thu đợc ở MS sẽ có một giá trị
đờng bao thay đổi; giá trị thay đổi của hình bao đợc phân bố theo phân bố Rayleigh. Độ

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:
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.
23
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 th-
ờng 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 kết hợp để
tạo ra tín hiệu thu tổng hợp cuối cùng. Tuy vậy, hệ thống CDMA IS 95 không thể phân
biệt rõ hoặc giải quyết các thành phần đa đờng nhỏ hơn 1às. Trong môi trờng đô thị
đông đúc, các BS ở rất gần nhau và mỗi BS đợc phát ở mức công suất thấp, các thành
phần đa đờng đến máy thu với các khoảng thời gian nhỏ hơn 1às có công suất rất thấp.
Trong trờng hợp này CDMA không thể giải quyết đợc các thành phần này để kết hợp
các công suất nhằm tạo ra một tín hiệu tổng hợp hữu ích. Điều này đợc thực hiện tốt
trong CDMA băng rộng (B-CDMA). Sự thay đổi của B-CDMA có tốc độ bít 5Mb/s và
theo lý thuyết có thể giải quyết đợc các thành phần đa đờng 0,2 às.
Chúng ta hãy xem xét hiệu ứng kéo dài trễ trong miền tần số. Sử dụng một mô hình đơn
giản để minh họa. Giả định có hai tín hiệu đa đờng cùng biên độ A chỉ ra ở hình 1.10:
Hình 1. Hai thành phần đa đờng cách nhau khoảng thời gian
Một tín hiệu đa đờng có độ trễ so với tín hiệu đa đờng kia. Tín hiệu thu đợc sẽ là:
Biến đổi Fourier ta đợc dạng phổ của r(t)