Tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp TP.HCM Khoa coâng ngheä ñieän töû
Chöông 6: Traûi phoå Th.S Lyù Tuù Nga
73
CHƢƠNG 6
TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP
VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• Tổng quan FDMA
• Tổng quan TDMA
• Tổng quan CDMA
• Tổng quan SDMA
• So sánh dung lƣợng các hệ thống FDMA, TDMA và CDMA
1.2. MỞ ĐẦU
Các phƣơng thức đa truy nhập vô tuyến đƣợc sử dụng rộng rãi trong các mạng thông tin di
động. Trong chƣơng này ta sẽ xét tổng quan các phƣơng pháp đa truy nhập đƣợc sử dụng trong
thông tin vô tuyến. Ngoài ra ta cũng xét kỹ thuật trải phổ nhƣ là kỹ thuật cơ sở cho các hệ thống
thông tin di động CDMA. Mô hình của một hệ thống đa truy nhập đƣợc cho ở hình 1.1.
Thông thƣờng ở một hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến có nhiều trạm đầu cuối và
một số các trạm có nhiệm vụ kết nối các trạm đầu cuối này với mạng hoặc chuyển tiếp các tín
hiệu từ các trạm đầu cuối đến một trạm khác. Các trạm đầu cuối ở trong các hệ thống thống tin di
Tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp TP.HCM Khoa coâng ngheä ñieän töû
Chöông 6: Traûi phoå Th.S Lyù Tuù Nga
74
động mặt đất là các máy di động còn các trạm đầu cuối trong các hệ thống thông tin vệ tinh là các
trạm thông tin vệ tinh mặt đất. Các trạm kết nối các trạm đầu cuối với mạng hoặc chuyển tiếp các
tín hiệu từ các trạm đầu cuối đến các trạm khác là các trạm gốc trong thông tin di động mặt đất
hoặc các bộ phát đáp trên vệ tinh trong các hệ thống thông tin vệ tinh. Do vai trò của trạm gốc
trong thông tin di động mặt đất và bộ phát đáp vệ tinh cũng nhƣ máy di động và trạm mặt đất
giống nhau ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến nên trong phần này ta sẽ xét chúng đổi lẫn cho
nhau. Trong các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến bao giờ cũng có hai đƣờng truyền: một
đƣờng từ các trạm đầu cuối đến các trạm gốc hoặc các trạm phát đáp, còn đƣờng khi theo chiều
ngƣợc lại. Theo quy ƣớc chung đƣờng thứ nhất đƣợc là đƣờng lên còn đƣờng thứ hai đƣợc gọi là
đƣờng xuống. Các phƣơng pháp đa truy nhập đƣợc chia thành bốn loại chính:
฀ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access).
฀ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access).
฀ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access).
฀ Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Access).
Các phƣơng pháp đa truy nhập cơ bản nói trên có thể kết hợp với nhau để tạo thành một
phƣơng pháp đa truy nhập mới.
Các phƣơng pháp đa truy nhập đƣợc xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên vô tuyến
cho các nguồn sử dụng (các kênh truyền dẫn) khác nhau.
Nguyên lý của ba phƣơng pháp đa truy nhập cơ bản đầu tiên đƣợc cho ở hình 1.2. Mỗi
kênh ngƣời sử dụng vô tuyến trong hệ thống vô tuyến tổ ong mặt đất hay một tram đầu cuối trong
hệ thống thông tin vệ tinh đa trạm sử dụng một sóng mang có phổ nằm trong băng tần của kênh
vào thời điểm hoạt động của kênh. Tài nguyên dành cho kênh có thể đƣợc trình bầy ở dạng một
hình chữ nhật trong mặt phẳng thời gian và tần số. Hình chữ nhật này thể hiện độ rộng của kênh
và thời gian hoạt động của nó (hình 1.2). Khi không có một quy định trƣớc các sóng mang đồng
thời chiếm hình chữ nhật này và gây nhiễu cho nhau. Để tránh đƣợc can nhiễu này các máy thu
của trạm gốc (hay các pháy thu cuả các trạm phát đáp trên vệ tinh) và các máy thu của các trạm
đầu cuối phải có khả năng phân biệt các sóng mang thu đƣợc. Để đạt đƣợc sự phân biệt này các
tài nguyên phải đƣợc phân chia:
฀ Nhƣ là hàm số của vị trí năng lƣợng sóng mang ở vùng tần số. Nếu phổ của sóng mang chiếm
các băng tần con khác nhau, máy thu có thể phân biệt các sóng mang bằng cách lọc. Đây là
nguyên lý đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access,
hình 1.2a).
฀ Nhƣ là hàm vị trí thời gian của các năng lƣợng sóng mang. Máy thu thu lần lƣợt các sóng
mang cùng tần số theo thời gian và phân tách chúng bằng cách mở cổng lần lƣợt theo thời
gian thậm chí cả khi các sóng mang này chiếm cùng một băng tần số. Đây là nguyên lý đa
truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access; hình 1.2b).
฀ Nhƣ là hàm phụ thuộc mã của các năng lƣợng sóng mang. Máy thu thu đồng thời các sóng
mang cùng tần số và phân tách chúng bằng cách giải mã các sóng mang này theo mã mà
chúng đƣợc phát. Do mỗi kênh hay nguồn phát có một mã riêng nên máy thu có thể phân biệt
đƣợc sóng mang thậm chí tất cả các sóng mang đồng thời chiếm cùng một tần số. Mã phân
biệt kênh hay nguồn phát thƣờng đƣợc thực hiện bằng các mã giả tạp âm (PN: Pseudo Noise
Code). Phƣơng pháp này đƣợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division
Multiple Access; hình 1.2c). Việc sử dụng các mã này dẫn đến sự mở rộng đáng kể phổ tần
của sóng mang so với phổ mà nó có thể có khi chỉ đƣợc điều chế bởi thông tin hữu ích. Đây
cũng là lý do mà CDMA còn đƣợc gọi là đa truy nhập trải phổ (SSMA: Spread Spectrum
Multiple Access).
฀ Nhƣ là hàm phụ thuộc vào không gian của các năng lƣơng sóng mang. Năng lƣơng sóng
Tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp TP.HCM Khoa coâng ngheä ñieän töû
Chöông 6: Traûi phoå Th.S Lyù Tuù Nga
75
mang của các kênh hay các nguồn phát khác nhau đƣợc phân bổ hợp lý trong không gian để
chúng không gây nhiễu cho nhau. Vì các kênh hay các nguồn phát chỉ sử dụng không gian
đƣợc quy định trƣớc nên máy thu có thể thu đƣợc sóng mang của nguồn phát cần thu thậm
chí khi tất cả các sóng mang khác đồng thời phát và phát trong cùng một băng tần. Phƣơng
pháp này đƣợc gọi là phƣơng pháp đa truy nhập theo không gian (SDMA: Space Division
Multiple Access). Có nhiều biện pháp để thực hiện SDMA nhƣ:
1. Sử dụng lặp tần số cho các nguồn phát tại các khoảng cách đủ lớn trong không gian để
chúng không gây nhiễu cho nhau. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc gọi là phƣơng pháp tái sử
dụng tần số và khoảng cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây nhiễu cho
nhau đƣợc gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số. Cần lƣu ý rằng thuật ngữ tái sử dụng tần số
cũng đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp hai nguồn phát hay hai kênh truyền dẫn sử dụng chung
tần số nhƣng đƣợc phát đi ở hai phân cực khác nhau.
2. Sử dụng các anten thông minh (Smart Anten). Các anten này cho phép tập trung năng
lƣợng sóng mang của nguồn phát vào hƣớng có lợi nhất cho máy thu chủ định và tránh gây
Tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp TP.HCM Khoa coâng ngheä ñieän töû
Chöông 6: Traûi phoå Th.S Lyù Tuù Nga
76
nhiễu cho các máy thu khác.
Các phƣơng pháp đa truy nhập nói trên có thể kết hợp với nhau. Hình 1.3 cho thấy các cách
kết hợp của ba phƣơng pháp đa truy nhập đầu tiên.
1.3. ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ, FDMA
1.3.1. Nguyên lý FDMA
Trong phƣơng pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B Mhz
đƣợc chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con đƣợc ấn định cho một kênh riêng có độ rộng
băng tần là B/n MHz (hình 1.4). Trong dạng đa truy nhập này các máy vô tuyến đầu cuối phát liên
tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau. Cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa
từng kênh bị sóng mang chiếm để phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao
động. Máy thu đƣờng xuống hoặc dƣờng lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp.
Nhƣ vậy FDMA là phƣơng thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh đƣợc cấp phát một
tần số cố định. Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải đƣợc phân chia và quy hoạch thống nhất trên
toàn thế giới.
Tröôøng Ñaïi Hoïc Coâng Nghieäp TP.HCM Khoa coâng ngheä ñieän töû
Chöông 6: Traûi phoå Th.S Lyù Tuù Nga
77
Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của một máy thuê bao phải hoặc đƣợc
phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhƣng khoảng thời gian phát thu khác nhau. Phƣơng pháp
thứ nhất đƣợc gọi là ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn
phƣơng pháp thứ hai đƣợc gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD:Time Division
Duplex).
1.4.1. Nguyên lý TDMA
Hình 1.7 cho thấy hoạt động của một hệ thống theo nguyên lý đa truy nhập phân chia theo
thời gian. Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB. Sự truyền dẫn này
đƣợc gọi là cụm. Sự phát đi một cụm đƣợc đƣa vào một cấu trúc thời gian dài hơn đƣợc gọi là chu
kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này. Mỗi sóng mang thể hiện
một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến đƣợc mang bởi tần số sóng mang fi.
Phƣơng pháp vừa nêu ở trên sử dụng cặp tần số song công cho TDMA đƣợc gọi là đa truy
nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/ FDD (FDD: Frequency
Division Duplexing). Trong phƣơng pháp này đƣờng lên (từ máy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm
các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) đƣợc phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc,
còn ở đƣờng xuống (từ trạm gốc đến máy đầu cuối) là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM:
Time Division Multiplexing) đƣợc phát đi từ trạm gốc cho các máy đầu cuối, (xem hình 1.8a).
Để có thể phân bổ tần số thông minh hơn, phƣơng pháp TDMA/TDD (TDD: Time
Division Multiplexing) đƣợc sử dụng. Trong phƣơng pháp này cả hai đƣờng lên và đƣờng xuống
đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đƣờng phát và đƣờng thu các khe thời gian
phát và thu đƣợc phát đi ở các khỏang thời gian khác nhau (xem hình 1.8b)