Đồ án “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA . ”

Chia sẻ: Vu Van Khanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

216
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động đƣợc coi nhƣ là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng. Thành công của con ngƣời trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA . ”

MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................................................................1 LỜI MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................................................3 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ .........................................................4 CHƢƠNG 1 ..............................................................................................................................................................5 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ ......................................................................................................5 1.1. GIỚI THIỆU ...........................................................................................................................................5 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1....................................................................................5 1.2.1. Nguyên lý FDMA ..........................................................................................................................5 1.2.2. Nhiễu giao thoa kênh lân cận .........................................................................................................9 1.3. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2.................................................................................. 10 1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. ...................................................................... 10 1.3.2. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. ....................................................................................... 16 1.4. SO SÁNH DUNG LƢỢNG HỆ THỐNG FDMA,TDMA,CDMA ........................................................ 22 1.5. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA . ............................................................................ 23 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................................................................ 27 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN W-CDMA.............................................................................. 27 2.1. CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ W- CDMA .................................................................................................. 27 2.1.1. Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) .......................................................................... 27 2.1.2. Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ ............................................................................................. 29 2.1.3. Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến .............................................................. 30 2.1.4. Ứng dụng các ƣu điểm của công nghệ W-CDMA trong các hệ thống di động ............................ 30 2.2. CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG W- CDMA ................................................... 34 2.2.1. Ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ ......................................................................... 34 2.2.2. Tìm nhận ô ................................................................................................................................... 38 2.2.3. Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................................................... 42 2.2.4. Các công nghệ để thoả mãn các yêu cầu về chất lƣợng khác nhau trong truyền dẫn đa tốc độ ... 42 2.2.5. Phân tập đa dạng .......................................................................................................................... 52 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................................................................ 60 CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN .................................................................................................. 60 3.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA W-CDMA ....................................................................................................... 60 3.1.1. Hiệu suất sử dụng tần số cao ........................................................................................................ 60 3.1.2. Dễ quản lý tần số .......................................................................................................................... 60 3.1.3. Công suất phát của máy di động thấp ........................................................................................... 60 3.1.4. Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đƣờng lên và đƣờng xuống ................ 61 3.1.5. Nhiều tốc độ số liệu...................................................................................................................... 61 3.1.6. Cải thiện các giải pháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia .......................................................... 61 3.1.7. Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu ....................................................................................................... 62 3.2. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA W-CDMA ................................................................... 62 3.3. CẤU TRÚC CỦA MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN ........................................................................ 63 3.4. CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT TRONG W-CDMA ...................................................................... 65 3.4.1. Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đƣờng xuống ............................... 65 3.4.2. Truyền dẫn OVSF ........................................................................................................................ 66 3.4.3. Cấu trúc hoa tiêu .......................................................................................................................... 66 1
3.4.4. Phƣơng pháp truy nhập gói .......................................................................................................... 66 3.4.5. Các mã Turbo ............................................................................................................................... 67 3.4.6. TPC .............................................................................................................................................. 67 3.4.7. Phân tập truyền dẫn ...................................................................................................................... 68 3.5. KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG (HAI CHIỀU ) PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN (TDD) VÀ KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ (FDD) ................................................ 68 KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................ 69 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................................................... 71 2
LỜI MỞ ĐẦU Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động đƣợc coi nhƣ là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng. Thành công của con ngƣời trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hƣớng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lƣợng dịch vụ cao. 3G - Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 là cái đích trƣớc mắt mà thế giới đang hƣớng tới. Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một sản phẩm đƣợc gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). IMT-2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng ƣớc mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào. Để đƣợc nhƣ vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và/hoặc vệ tinh. Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phƣơng tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng.. Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc xây dựng theo tiêu chuẩn GSM, IS-95, PDC, IS-38 phát triển rất nhanh vào những năm 1990. Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dùng FDMA hoặc TDMA. Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào quên lãng. Con đƣờng GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000. Tại Việt Nam, thị trƣờng di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ tƣơng đối nhanh. Cùng với hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, Công Ty Viễn thông Quân đội (Vietel), S-fone và mới nhất là Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội và Viễn Thông Điện Lực tham gia vào thị trƣờng di động chắc hẳn sẽ tạo ra một sự cạnh tranh lớn giữa các nhà cung cấp dịch vụ, đem lại một sự lựa chọn phong phú cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụ di động Việt Nam không chỉ sử dụng các biện pháp cạnh tranh về giá cả mà còn phải nỗ lực tăng cƣờng số lƣợng dịch vụ và nâng cao chất lƣợng dịch vụ để chiếm lĩnh thị phần trong nƣớc . Điều đó có nghĩa rằng hƣớng tới 3G không phải là một tƣơng lai xa ở Việt 3
Nam. Trong số các nhà cung cấp dịch vụ di động ở Việt Nam, ngoài hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, còn có Vietel đang áp dụng công nghệ GSM và cung cấp dịch vụ di động cho phần lớn thuê bao di động ở Việt Nam. Vì vậy khi tiến lên 3G, chắc chắn hƣớng áp dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 phải đƣợc xem xét nghiên cứu. Xuất phát từ ý tƣởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng W-CDMA em đã thực hiện đồ án: “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA . ”. Đồ án này em trình bày gồm 3 chƣơng với các nội dung chính sau : Chƣơng 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động số Chƣơng này đã giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động và sự cần thiết của việc xây dựng hệ thống thông tin di động thứ 3 . Chƣơng 2 : Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA Chƣơng này trình này về các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA và ứng dụng của nó trong các hệ thống di động . Chƣơng 3 : Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1.1. GIỚI THIỆU Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tƣơng tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lƣợng và ứng dụng so với các thế hệ trƣớc đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện gói là thế hệ đang đƣợc triển khai ở một số quốc gia trên thế giới. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới đƣợc thể hiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tƣơng lai. 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1 Phƣơng pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số . Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phƣơng pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tƣơng tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tƣơng tự để mang dữ liệu thoại của mỗi ngƣời sử dụng .Với FDMA , khách hàng đƣợc cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận đƣợc dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lƣu lƣợng ngƣời dùng . Trong trƣờng hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số ngƣời bị chặn lại không đƣợc truy cập. 1.2.1. 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 1.1). 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 đƣờng lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp. 5
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. B/n MHZ Đoạn bảo vệ ... 1 2 3 4 n Nhiễu kênh lân cận B MHZ Hình 1.1. FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận 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). Phƣơng pháp thứ nhất đƣợc mô tả ở hình 1.2. Trong phƣơng pháp này băng tần dành cho hệ thống đƣợc chia thành hai nửa: một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band). Trong mỗi nửa băng tần ngƣời ta bố trí các tần số cho các kênh (xem hình 1.2a) . Trong hình 1.2a các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số đƣợc gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần số sẽ đƣợc sử dụng cho máy phát còn một tần số đƣợc sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này đƣợc gọi là khoảng cách thu phát hay song công. Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng đƣợc gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận (Δx), khoảng cách này phải đƣợc chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho trƣớc (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau. Nhƣ vậy mỗi kênh bao gồm một cặp tần số: một tần số ở băng tần thấp và một tần số ở băng tần cao để đảm bảo thu phát song công. Thông thƣờng ở đƣờng phát đi từ trạm gốc (hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu ở trạm đầu cuối) đƣợc gọi là đƣờng xuống, còn đƣờng phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) đƣợc gọi là đƣờng lên. Khoảng cách giữa hai tần số 6
đƣờng xuống và đƣờng lên là ΔY nhƣ thấy trên hình vẽ. Trong thông tin di dộng tần số đƣờng xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đƣờng lên để suy hao ở đƣờng lên thấp hơn đƣờng xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn. Trong trong thông tin vệ tinh thì tuỳ thuộc vào hệ thống, tần số đƣờng xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đƣờng lên, chẳng hạn ở các hệ thống sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn ngƣời ta thƣờng sử đụng tần số đƣờng lên cao hơn đƣờng xuống, ngƣợc lại ở các hệ thống thông tin vệ tinh (nhƣ di động chẳng hạn) do trạm mặt đất nhỏ nên tần số đƣờng lên đƣợc sử dụng thấp hơn tần số đƣờng xuống. Nửa băng thấp Nửa băng cao f0 f1 f2 f3 fn-1 fn f1 f2 f3 fn-1 fn B MS1 f’1 Trạm gốc MS2 f’2 MS3 f’3 Ký hiệu ∆x: Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận ∆y: Khoảng cách tần số thu phát B: Băng thông cấp phát cho hệ thống f0: Tần số trung tâm f’i: Tần số đường xuống fi: Tần số đường lên Hình 1.2. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD 7
Trong phƣơng pháp thứ hai (FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhƣng phân chia theo thời gian) khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phƣơng pháp ghép song công theo thời gian: TDD). Phƣơng pháp này đƣợc mô tả ở hình 1.3. Hình 1.3 cho thấy kênh vô tuyến giƣã trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng một tần số fi cho cả phát và thu. Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trƣớc tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian đƣợc ký hiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian đƣợc ký hiệu là Rx, sau đó nó lại phát ở khe Tx ... f1 f2 f3 fn-1 fn a) ... ... B b) MS1 RX TX RX TX f1 RX TX RX TX f2 Trạm gốc MS2 MS3 RX TX RX TX f3 Ký hiệu ∆x: Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận B: Băng thông cấp phát cho hệ thống fi: Tần số chung cho cả đường xuống và đường lên Hình 1.3. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD 8
1.2.2. Nhiễu giao thoa kênh lân cận Từ hình 1.1 ta thấy độ rộng của kênh bị chiếm dụng bởi một số sóng mang ở các tần số khác nhau. Các sóng mang này đƣợc phát đi từ một trạm gốc đến tất cả các máy vô tuyến đầu cuối nằm trong vùng phủ của anten trạm này. Máy thu của các máy vô tuyến đầu cuối phải lọc ra các sóng mang tƣơng ứng với chúng, việc lọc sẽ đƣợc thực hiện dễ dàng hơn khi phổ của các song mang đƣợc phân cách với nhau bởi một băng tần bảo vệ rộng. Tuy nhiên việc sử dụng băng tần bảo vệ rộng sẽ dẫn đến việc sử dụng không hịêu quả độ rộng băng tần của kênh. Vì thế phải thực hiện sự dung hòa giữa kỹ thuật và tiết kiệm phổ tần. Dù có chọn một giải pháp dung hòa nào đi nữa thì một phần công suất của sóng mang lân cận với một sóng mang cho trƣớc sẽ bị thu bởi máy thu đƣợc điều hƣởng đến tần số của sóng mang cho trƣớc nói trên. Điều này dẫn đến nhiễu do sự giao thoa đƣợc gọi là nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference). Dung lƣợng truyền dẫn của từng kênh (tốc độ bit Rb) xác định độ rộng băng tần điều chế (Bm) cần thiết nhƣng phải có thêm một khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận nên Bm < B/n. Do vậy dung lƣợng thực tế lớn hơn dung lƣợng cực đại nhận đƣợc bởi một kỹ thuật điều chế cho trƣớc.Vì vậy hiệu suất sử dụng tần số thực sự sẽ là n/B kênh lƣu lƣợng trên MHz. Trong các hệ thống điện thoại không dây FDMA điển hình của châu Âu hiệu suất sử dụng tần số thực của các hệ thống điện thoại không dây là 20 kênh/Mhz còn đối với điện thoại không dây số là 10 kênh/MHz. Về mặt kết cấu, FDMA có nhƣợc điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền đƣợc một Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lƣợng thì phải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm. Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tần số vô tuyến cho các kênh này. Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD). Ở phƣơng pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian phát thu luân phiên (hình 1.3). Phƣơng pháp FDMA ít nhậy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóng, không cần đồng bộ và không xẩy ra trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiều, vì vậy giảm trễ hồi âm. 9
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1sử dụng phƣơng pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời dùng về cả dung lƣợng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đƣa ra hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ƣu điểm hơn thế hệ 1về cả dung lƣợng và các dịch vụ đƣợc cung cấp. 1.3. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2 Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lƣợng và chất lƣợng, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc đƣa ra để đáp ứng kịp thời số lƣợng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số . Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số .Và chúng sử dụng 2 phƣơng pháp đa truy cập :  Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA).  Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access- CDMA). 1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Với phƣơng pháp truy cập TDMA thì nhiều ngƣời sử dụng một sóng mang và trục thời gian đƣợc chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều ngƣời sử dụng sao cho không có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động đƣợc chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao đƣợc cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung . a. Nguyên lý TDMA Hình 1.4 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. 10
TB MS1 fi Trạm gốc TB MS2 fi TB MS3 fi TB MSn fi Ký hiệu TSi : khe thời gian giành cho người sử dụng i TB : thời gian của một cụm TF : thời gian của một khung Hình 1.4 Nguyên lý TDMA 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 1.5a). 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 1.5b) 11
TDMA/FDD a) f’1 TB TB TB TB TB MS1 f1 Trạm gốc TB MS2 f1 MS3 TB f1 MSn TB f1 b) TDMA/TDD MS1 TX RX Trạm gốc MS2 fi TB TB TB TB MS3 TX : trạm gốc phát Rx : trạm gốc thu MSn Hình 1.5. Các phương pháp đa truy nhập: a) TDMA/FDD; b) TDMA/TDD b. Tạo cụm Quá trình tạo cụm đƣợc mô tả ở hình 1.6. Máy phát của trạm gốc nhận thông tin ở dạng luồng cơ số hai liên tục có tốc độ bit Rb từ giao tiếp ngƣời sử dụng. Thông tin này phải đƣợc lƣu giữ ở các bộ nhớ đệm và đƣợc ghép thêm thông tin điều khiển bổ 12
sung để tạo thành một cụm bao gồm thông tin của ngƣời sử dụng và thông tin điều khiển bổ sung . Luồng của các ngƣời sử dụng 1 Ghép kênh R 2 (TDMA) và điều chế Z 3 R b Luồng số cần phát đến ngƣời sử dụng 1 Luồng số cần phát đến ngƣời sử dụng 2 Luồng số cần phát đến ngƣời sử dụng 3 Cấu trúc cụm t (tốc độ R) Tốc độ Rb Các bộ Bộ ghép Bộ điều đệm khung chế Tốc độ TDMA Rb Tốc độ Định thời Rb TDMA Ký hiệu Ri= tốc độ bit của ngƣời sử dụng (bps) R= tốc độ ký hiệu điều chế cho sóng mang TS=độ rộng khe thời gian , Tb= độ rộng cụm , TF= độ rộng khung = Khoảng trống bảo vệ , = thông tin bổ sung Hình 1.6. Quá trình tạo cụm ở một hệ thống vô tuyến TDMA 13
Sau đó cụm đƣợc đặt vào khe thời gian TB tƣơng ứng ở bộ ghép khung TDMA. Giữa các cụm có thể có các khoảng trống để tránh việc chồng lấn các cụm lên `nhau khi đổng bộ không đƣợc tốt. Đầu ra của bộ ghép khung TDMA ta đƣợc luồng ghép có tốc độ điều chế R đƣa đến bộ điều chế. Tốc độ điều chế R điều chế cho sóng mang đƣợc xác định nhƣ sau: R = Rb(TF/TB) [bps] (1.1) trong đó TB thời gian của cụm, còn TF là thời gian của một khung. Giá trị R lớn khi thời gian của cụm nhỏ và vì thế thời gian chiếm (TB/TF) cho một kênh để truyền dẫn thấp. Chẳng hạn nếu Rb= 10kbit/s và (TF/TB) = 10, điều chế xẩy ra ở tốc độ 100kbit/s. Lƣu ý rằng R là tổng dung lƣợng của mạng đo bằng bps. Từ khảo sát ở trên có thể thấy rằng vì sao dạng truy nhập này luôn luôn liên quan đến truyền dẫn số: nó dễ dàng lƣu giữ các bit trong thời gian một khung và và nhanh chóng giải phóng bộ nhớ này trong khoảng thời gian một cụm. Không dễ dàng thực hiện dạng xử lý này cho các thông tin tƣơng tự. Mỗi cụm ngoài thông tin lƣu lƣợng còn chứa thông tin bổ sung nhƣ: 1) Đầu đề chứa: - Thông tin đề khôi phục sóng mang (CR: Carrier Recovery) và để đồng bộ đồng hồ bit của máy thu (BTR: Bit Timing Recovery). - Từ duy nhất (UW : Unique Word) cho phép máy thu xác định khởi đầu của một cụm. UW cũng cho phép giải quyết đƣợc sự không rõ ràng về pha (khi cần thiết) trong trƣờng hợp giải điều chế nhất quán. Khi biết đƣợc khởi đầu của cụm, tốc độ bit và xẩy ra sự không rõ ràng pha máy thu có thể xác định đƣợc các bit đi sau từ duy nhất. - Nhận dạng kênh (CI: Channel Identifier). - Các thông tin nói trên có thể đƣợc đặt riêng rẽ và tập trung ở đầu cụm hay có thể kết hợp với nhau hay phân bố ở nhiều chỗ trong một số khung (trƣờng hợp các từ đồng bộ khung phân bố). 2) Báo hiệu và điều khiển 3) Kiểm tra đƣờng truyền 14
Trong một số hệ thống các thông tin bổ sung trên có thể đƣợc đặt ở các kênh dành riêng. c. Thu cụm Quá trình xử lý ở máy thu của máy vô tuyến đầu cuối 3 đƣợc cho ở hình 1.7. Phần xử lý khung TDMA sẽ điều khiển việc mở cổng cho cụm cần thu trong khe thời gian TS3 dành cho máy đầu cuối này. Máy thu xác định khởi đầu của mỗi cụm (hoặc mối khung) bằng cách phát hiện từ duy nhất, sau đó nó lấy ra lƣu lƣợng dành cho mình từ khung TDMA. (Lƣu ý rằng ở một số hệ thống nhờ đồng bộ chung trong mạng nên máy thu có thể xác định ngay đƣợc khe thời gian dành cho nó mà không cần từ duy nhất). Lƣu lƣợng này đƣợc thu nhận không lien tục với tốc độ bit là R. Để khôi phục lại tốc độ bit ban đầu Rb ở dạng một luồng số liên tục, thong tin đƣợc lƣu giữ ở bộ đệm trong khoảng thời gian của khung đang xét và đƣợc đọc ra từ bộ nhớ đệm này ở tốc độ Rb trong khoảng thời gian của khung sau. Điều quan trọng để xác định đƣợc nội dung của cụm nói trên là trạm thu phải có khả năng phát hiện đƣợc từ duy nhất ở khởi đầu của mỗi cụm (hoặc mỗi khung). Bộ phát hiện từ duy nhất xác định mối tƣơng quan giữa các chuỗi bit ở đầu ra của bộ phát hiện bit của máy thu, chuỗi này có cùng độ dài nhƣ từ duy nhất và là mẫu của từ duy nhất đƣợc lƣu giữ ở bộ nhớ của bộ tƣơng quan. Chỉ có các chuỗi thu tạo ra các đỉnh tƣơng quan lớn hơn một ngƣỡng thì đƣợc giữ lại nhƣ là các từ duy nhất 15
3 Z Máy đầu cuối 3 Giải điều Cửa mở Bộ đệm chế tại TS3 Tốc độ Rb t Định thời TDMA Hình 1.7. Quá trình thu cụm trong TDMA d. Đồng bộ Ở TDMA vấn đề đồng bộ rất quan trọng. Đồng bộ cho phép xác định đúng vị trí của cụm cần lấy ra ở máy thu hay cần phát đi ở máy phát tƣơng ứng. Nếu các máy đầu cuối là máy di động thì đồng bộ còn phải xét đến cả vị trí của máy này so với trạm gốc. Về vấn đề đồng bộ chúng ta sẽ xét ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến cụ thể. So với FDMA, TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn. Tuy nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảm bảo dung lƣợng của mạng. Vì thế TDMA thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lƣợng cao. Nhƣợc điểm cuả TDMA là đòi hỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMA khi cần dung lƣợng truyền dẫn cao, ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xẩy ra hiện tƣợng hồi âm. 1.3.2. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Với phƣơng pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều ngƣời sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.Những ngƣời sử dụng nói trên đƣợc phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trƣng không trùng với bất kỳ ai.Kênh vô tuyến CDMA đƣợc 16
dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng đƣợc phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN). a. Đặc điểm của CDMA: -Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. -Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. -Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cƣờng độ trƣờng rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.. -Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lƣợng cell rất linh hoạt. CDMA là phƣơng thức đa truy nhập mà ở đó mỗi kênh đƣợc cung cấp một cặp tần số và một mã duy nhất. Đây là phƣơng thức đa truy nhập mới, phƣơng thức này dựa trên nguyên lý trải phổ. Tồn tại ba phƣơng pháp trải phổ: - Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency). - Trải phổ theo nhẩy tần (FH: Frequency Hopping). - Trải phổ theo nhẩy thời gian. (TH: Time Hopping). b. Các hệ thống thông tin trải phổ Trong các hệ thống thông tin thông thƣờng độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đƣợc thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Trong các hệ thống điều chế biên độ song biên, độ rộng băng tần cần thiết để phát một nguồn tín hiệu tƣơng tự gấp hai lần độ rộng băng tần của nguồn này. Trong các hệ thống điều tần độ rộng băng tần này có thể bằng vài lần độ rộng băng tần nguồn phụ thuộc vào chỉ số điều chế. Đối với một tín hiệu số, độ rộng băng tần cần thiết có cùng giá trị với tốc độ bit của nguồn. Độ rộng băng tần chính xác cần thiết trong trƣờng hợp này phụ thuộc và kiểu điều chế (BPSK , QPSK v.v...). Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu đƣợc mở rộng, thông thƣờng hàng trăm lần trƣớc khi đƣợc phát. Khi chỉ có một ngƣời sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần nhƣ vậy không có hiệu quả. Tuy nhiên ở môi trƣờng nhiều ngƣời sử dụng, các ngƣời sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS (trải phổ) và hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà vẫn duy trì đƣợc các ƣu điểm cuả trải phổ. Một hệ thống thông tin số đƣợc coi là SS nếu: 17
- Tín hiệu đƣợc phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin. - Trải phổ đƣợc thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Hình 1.8 cho thấy sơ đồ khối chức năng cuả một hệ thống thông tin SS điển hình cho hai cấu hình: vệ tinh và mặt đất. Nguồn tin có thể số hay tƣơng tự. Nếu nguồn là tƣơng tự thì trƣớc hết nó phải đƣợc số hoá bằng một sơ đồ biến đổi tƣơng tự vào số nhƣ: điều xung mã hay điều chế delta. Bộ nén tín hiệu loại bỏ hay giảm độ dƣ thông tin ở nguồn số. Sau đó đầu ra đƣợc mã hoá bởi bộ lập mã hiệu chỉnh lỗi (mã hoá kênh) để đƣa vào các bit dƣ cho việc phát hiện hay sửa lỗi có thể xẩy ra khi truyền dẫn tín hiệu qua kênh vô tuyến. Phổ của tín hiệu cần phát đƣợc trải rộng đến độ rộng băng tần cần thiết sau đó bộ điều chế sẽ chuyển phổ này đến dải tần đƣợc cấp cho truyền dẫn. Sau đó tín hiệu đã điều chế đƣợc khuyếch đại, đƣợc phát qua kênh truyền dẫn, kênh này có thể là dƣới đất hoặc vệ tinh. Kênh này có thể gây ra các giảm chất lƣợng nhƣ: nhiễu, tạp âm và suy hao công suất tín hiệu. Lƣu ý rằng đối với SS thì các bộ nén/giãn và mã hoá/ giải mã hiệu chỉnh lỗi (mã hoá/ giải mã kênh) là tuỳ chọn. Ngoài ra cũng cần lƣu ý rằng vị trí cuả các chức năng trải phổ và điều chế có thể đổi lẫn. Hai chức năng này thƣờng đƣợc kết hợp và thực hiện ở một khối. Tại phiá thu máy thu khôi phục lại tín hiệu ban đầu bằng cách thực hiện các quá trình ngƣợc với phía phát: giải điều chế tín hiệu thu, giải trải phổ, giải mã và giãn tín hiệu để nhận đƣợc một tín hiệu số. Nếu nguồn là tƣơng tự thì tín hiệu số này đƣợc biến đổi vào tƣơng tự bằng một bộ biến đổi số/ tƣơng tự. 18
Đầu vào số Khuếch đại giao Điều chế Khuếch Nén số Mã hóa (BPSK, đại công diện đƣờng số liệu kênh QPSK) suất Đầu vào tƣơng tự Khuếch đại giao Nguồn chuỗi Kênh vệ tinh Biến đổi Song diện đƣờng giả tạp âm tƣơng tự AD mang Kênh trải phổ Nhiễu truyền dẫn Kênh mặt đất suy hao vô tuyến Tạp âm Máy phát Các chức năng tùy chọn Kênh Nhiễu truyền dẫn Phát đáp Máy thu vệ tinh Tạp âm suy hao vô tuyến Kênh Nhiễu truyền dẫn Song mang suy hao vô Tạp âm Đầu ra tuyến số Khuếch Khuếch đại giao Nén số Giải mã Giải điều diện đƣờng số đại công liệu kênh chế suất Đầu ra tƣơng tự Khuếch đại giao Chuỗi giả tạp Biến đổi diện đƣờng âm giải trải AD tƣơng tự phổ Đồng bộ chuỗi Giả tạp âm Hình 1.8. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình với trải phổ (cấu hình hệ thống mặt đất và vê tinh) Có ba kiểu hệ thống SS cơ bản: chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct-Sequence Spreading Spectrum), nhẩy tần (FHSS: Frequency-Hopping Spreading Spectrum) và nhẩy thời gian (THSS: Time-Hopping Spreading Spectrum) (hình 1.9, 1.10 và 1.11). Cũng có thể nhận đƣợc các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên. Hệ thống DSSS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát. Hệ thống FHSS đạt đƣợc trải phổ bằng cách nhẩy tần số mang trên một tập (lớn) các tần số. Mẫu nhẩy tần có dạng giả ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian của một chip Tc giữ nguyên không đổi. Tốc độ nhẩy tần có thể nhanh hoặc chậm. Trong hệ thống nhẩy tần nhanh, nhẩy tần đƣợc thực hiện ở tốc độ 19
cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn ở hệ thống nhẩy tần chậm thì ngƣợc lại. Tb=Tn Tb=Tn t Trong đó: - Tb = thời gian một bit của luồng số cần phát - Tn = Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên dùng cho trải phổ - Tc = Thời gian một chip của mã trải phổ Hình 1.9 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) fn fn-1 fn-2 f3 f2 f1 Tc 2Tc Hình 1.10 trải phổ nhảy tần (FHSS) 20