Tìm hiểu về công nghệ CDMA

TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ CDMA Mặc dù mới phát triển vài thập kỷ trước, nhưng hệ thống thông tin di động không ngừng phát triển với một tốc độ chóng mặt. Và chúng đã góp một phần quan trọng vào sự phát triển của xã hội loài người, đưa mọi người tới gần nhau hơn, có thể giao tiếp với nhau dù ở bất kì đâu! 1, Điểm qua quá trình phát triển của mạng thông tin di động: Thế hệ điện thoại đầu tiên là 1G, đặc trưng của hệ thống là: dung lượng thấp, kĩ thuật chuyển mạch tương tự, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng handoff (chuyển giao cuộc gọi giữa các tế bào) không tin cậy, chất lượng âm thanh thấp, không có chế độ bảo mật và chủ yếu là dành cho thoại. Một số chuẩn trong hệ thống này là: AMPS, SMR, NMT(900)... Thế hệ 2G ( bao gồm GSM - Global System for Mobile communications và CDMA – IS95). Thế hệ đang được dùng trên thế giới, có đặc điểm: kỹ thuật chuyển mạch số; dung lượng lớn; siêu bảo mật; nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, sms…Tất cả đều theo chuẩn kỹ thuật số, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS 95… Thế hệ 2,5G là bước chuyển giao lên công nghệ 3G. Có đặc điểm: dữ liệu chuyển mạch tốc độ cao (High-Speed Circuit-Switched Data - HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (General Packet Radio Service - GPRS); chuyển mạng, các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu… Thế hệ 3G (WCDMA): xuất hiện đầu tiên ở Nhật Bản. Đặc điểm nổi bật so với 2 thế hệ trước là: truy cập internet, truyền video. CDMA là một trong những chuẩn từ thế hệ 2G. Chuẩn CDMA có nhiều tính năng ưu việt hơn các chuẩn khác, nó đã và đang là xu thế phát triển của hệ thống viễn thông hiện đại. Vậy CDMA là gì, và ưu thế của nó là như thế nào!!! 2, Khái niệm về CDMA: CDMA viết đầy đủ là Code Division Multiple Access nghĩa là đa truy cập phân chia theo mã. Trong khi TDMA - time division multiple access phân chia sự truy cập kênh truyền theo thời gian, và FDMA - frequency-division multiple access phân chia sự truy cập theo tần số. Còn trong hệ thống CDMA các thuê bao di động có thể truy cập đồng thời trên cùng một giải tần. Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên. Các tín hiệu của các thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mẫu ngẫu nhiên khác nhau, sau đó được trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di dộng) với mã ngẫu nhiên tương ứng. Áp dụng lý thuyết truyền thông trải phổ, CDMA đưa ra hàng loạt các ưu điểm mà nhiều công nghệ khác chưa thể đạt được. Để dễ hình dung về sự khác biệt giữa CDMA với TDMA, FDMA ta xét ví dụ sau: Trong một phòng mọi người đều mong muốn nói chuyện với người khác. Để không gây hỗn loạn thì: mọi người có thể nói theo phiên (chia theo thời gian ), hoặc nói với độ cao khác nhau ( chia theo tần số), hoặc là nói theo những hướng khác nhau (chia theo không gian). Còn một cách nữa là họ sẽ nói với những ngôn ngữ khác nhau, những người sử dụng cùng ngôn ngữ mới hiểu được nhau. Cũng giống như vậy, trong truyền tin CDMA, mỗi nhóm người sử dụng được gán một mã cho trước và nhiều mã có thể chiếm cùng kênh, nhưng chỉ những người liên lạc với nhau bởi mã dành riêng đó mới có thể hiểu được nhau Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào những năm 1990 3, Mã hóa trong CDMA: Mã giả ngẫu nhiên: Ồn giả ngẫu nhiên (PRN) là tín hiệu gần giống với ồn mà thỏa mãn những yêu cầu của xác suất thống kê. Ồn giả ngẫu nhiên gồm dãy xung định trước và được lặp lại chính nó theo chu kì. Mỗi xung trong dãy được gọi là chip. Mã giả ồn (PN code) là mã mà phổ của nó tương tự như dãy các bit ngẫu nhiên nhưng được xác định trước. Với mỗi kênh, trạm cơ cở tạo một mã duy nhất, mã này thay đổi cho mỗi kết nối. Trạm cơ sở cộng tất cả các mã truyền với nhau cho mọi thuê bao. Đơn vị thuê bao tạo chính xác mã phù hợp của nó và sử dụng mã đó để rút ra tín hiệu dành riêng cho thuê bao đó. Mỗi thuê bao sử dụng vài kênh độc lập. Để cho tất cả những điều này xảy ra, mã giả ngẫu nhiên phải có những tính chất sau: (1)Mã giả ngẫu nhiên phải được quyết định trước. Trạm thuê bao phải có khả năng sinh mã một cách độc lập, phù hợp với mã trạm cơ sở (2) Nó phải có vẻ như là ngẫu nhiêu để người nghe không nhận ra mã (ví dụ: nó có tính chất thống kê của ồn trắng đã được lấy mẫu) (3) Sự tương quan chéo giữa 2 mã phải nhỏ (4) Mã phải có chu kì dài Tạo và khôi phục mã: Coi chuỗi bit được truyền đi là một véctơ. véctơ có thể nhân vô hướng, cộng các kết quả của thành phần tương ứng (phép nhân vô hướng 2 véctơ). Nếu kq bằng 0, 2 véctơ được gọi là trực giao với nhau. Vài tính chất của nhân vô hướng giúp hiểu được CDMA làm việc như thế nào. Nếu véctơ a trực giao véctơ b, ta có: Bây giờ gán 1 bộ phát với véctơ v trong tập hợp, được gọi là mã, mã chip (chip là 1 bit trong mã trải phổ dãy trực tiếp). Gán giá trị 0 là véctơ –v, và giá trị 1 là véctơ v. Ví dụ nếu v=(1,-1), thì véctơ nhị phân (1,0,1,1) tương ứng với (v,-v,v,v) và được viết lại thành ((1,-1),(-1,1),(1,-1),(1,-1)). Trong bài này ta gọi véctơ đó là véctơ truyền. Mỗi bộ phát được cấp một véctơ v duy nhất, khác với những véctơ còn lại trong tập hợp, nhưng phương thức xd lên véctơ truyền thì giống nhau. Do tính chất vật lý của giao thoa (nếu 2 tín hiệu tại cùng 1 thời điểm đồng pha với nhau, chúng sẽ gấp đôi biên độ tín hiệu mỗi cái lên, nhưng nếu chúng ngc pha, thì sẽ trừ đi và làm biên độ tín hiệu khác đi), trong kt số, tác động này có thể được bắt chước bởi việc cộng các véctơ truyền tương ứng từng phần. Ví dụ, nếu bộ phát 0 có mã (1,-1) và dữ liệu (1,0,1,1), bộ phát 1 có mã (1,1) và dữ liệu (0,0,1,1) và cả 2 bộ phát cùng truyền đồng thời, bảng dưới mô tả các bước mã hóa: Step Encode sender0 Encode sender1 0 vector0=(1,–1), data0=(1,0,1,1)=(1,–1,1,1) vector1=(1,1), data1=(0,0,1,1)=(–1,–1,1,1) 1 encode0=vector0.data0 encode1=vector1.data1 2 encode0=(1,–1).(1,–1,1,1) encode1=(1,1).(–1,–1,1,1) 3 encode0=((1,–1),(–1,1),(1,–1),(1,–1)) encode1=((–1,–1),(–1,–1),(1,1),(1,1)) 4 signal0=(1,–1,–1,1,1,–1,1,–1) signal1=(–1,–1,–1,–1,1,1,1,1) Bởi vì tín hiệu 0 và tín hiệu 1 được truyền đồng thời trong ko gian, chúng được cộng với nhau để tạo ra tín hiệu thô: (1,-1,-1,1,1,-1,1,-1) + (-1,-1,-1,-1,1,1,1,1) = (0,-2,-2,0,2,0,2,0). Tín hiệu thô này được gọi là mẫu giao thoa. Mẫu giao thoa được thu rồi sau đó để rút ra tín hiệu dành riêng cho từng bộ thu, bộ thu kết hợp mã bộ phát với mẫu giao thoa.Bảng sau giải thích điều đó thực hiện như thế nào. Step Decode sender0 Decode sender1 0 vector0=(1,–1), pattern=(0,–2,–2,0,2,0,2,0) vector1=(1,1), pattern=(0,–2,–2,0,2,0,2,0) 1 decode0=pattern.vector0 decode1=pattern.vector1 2 decode0=((0,–2),(–2,0),(2,0),(2,0)).(1,–1) decode1=((0,–2),(–2,0),(2,0),(2,0)).(1,1) 3 decode0=((0+2),(–2+0),(2+0),(2+0)) decode1=((0–2),(–2+0),(2+0),(2+0)) 4 data0=(2,–2,2,2)=(1,0,1,1) data1=(–2,–2,2,2)=(0,0,1,1) Sau khi giải mã, các giá trị lớn hơn 0 được hiểu là 1 trong khi những giá trị nhỏ hơn 0 được hiểu là 0. Ví dụ, sau giải mã, dữ liệu 0 là (2,-2,2,2) được bộ thu hiểu là (1,0,1,1). 4, Kĩ thuật trải phổ trong CDMA: Kĩ thuật trải phổ là các phương pháp trong đó, năng lượng được tạo ra trong băng thông đặc biệt đã được trải rộng ra một cách tính toán trước trong miền tần số, điều này dẫn đến tín hiệu có độ rộng băng rộng hơn. Những kĩ thuật này được sử dụng cho nhiều lý do, kể cả việc thiết lập liên lạc an toàn, tăng khả năng chống giao thoa và nhiễu, và chống đánh cắp thông tin. Truyền thông trải phổ được đặc trưng bởi 3 yếu tố sau: Tín hiệu chiếm băng thông lớn hơn nhiều băng thông cần thiết để gửi thông tin. Điều này dẫn đến nhiều tiện lợi, như là chống giao thoa và nhiễu, truy cập đa người dùng. Băng thông được trải ra bởi các của mã mà mã này độc lập với dữ liệu. Sự độc lập của mã phân biêt giữa nó với các cách điều chế chuẩn mà trong đó, việc điều chế dữ liệu sẽ luôn trải phổ ra một chút. Máy thu đồng bộ mã để khôi phục lại dữ liệu. Việc sử dụng mã độc lập và thu đồng bộ cho phép nhiều người dùng truy cập vào cùng một dải tần vào cùng một thời điểm. Trải phổ dãy trực tiếp (Direct sequence spread spectrum - DSSS) là một kĩ thuật điều chế trong số các kĩ thuật trải phổ. Kĩ thuật này có các đặc điểm: Nó điều chế pha sóng sine một cách giả ngẫu nhiên với chuỗi các biểu tượng mã giả ồn (PN code), được gọi là “chips”, mỗi chip có chu kì ngắn hơn bit dữ liệu. Tức là, mỗi bit dữ liệu được điều chế bởi một chuỗi các chip có tốc độ lớn hơn. Do đó, tốc độ chip cao hơn tốc độ bit dữ liệu. Nó sử dụng một cấu trúc tín hiệu, trong đó chuỗi các chip tạo ra bởi bộ phát mà bộ phát đó được bộ thu ưu tiên nhận biết. Sau đó, bộ thu sử dụng cùng chuỗi PN để “trung hòa” tác dụng của chuỗi PN trong tín hiệu đã nhận, để tái tạo lại dữ liệu. giới thiệu một hệ thống trải phổ dãy trực tiếp đơn giản. để rõ ràng, hình chỉ giới thiệu 1 kênh hoạt động trên 1 hướng Phương thức truyền: Sự truyền trải phổ dãy trực tiếp nhân dữ được truyền với tín hiệu “ồn”. Tín hiệu ồn này là dãy giả ngẫu nhiên của hai giá trị 1 và -1, tại tần số lớn hơn nhiều tần số của tín hiệu gốc, nhờ đó mà trải năng lượng của tín hiệu gốc vào một dải rộng hơn nhiều. Tín hiệu được tạo ra giống như ồn trắng, như việc ghi âm thanh của nhiễu. Tuy nhiên, tín hiệu giống ồn này có thể được sử dụng để tái tạo chính xác dữ liệu gốc tại đầu cuối thu, bằng cách nhân nó với chuỗi giả ngẫu nhiên tương tự (bởi vì 1 x 1 = 1, và -1 x -1 = 1). Quá trình này, được biết là rút gọn phổ, thiết lập một cách chính xác sự tương quan của dãy PN được truyền với dãy của bộ thu. Nếu một bộ phát ko mong muốn truyền cùng kênh nhưng với chuỗi PN khác (hoặc ko dùng chuỗi PN), quá trình co phổ dẫn đến kết quả là ko có lợi ích quá trình cho tín hiệu đó. Tác động này là cơ bản cho thuộc tính CDMA của DSSS, điều này cho phép đa bộ phát cùng chia sẻ một kênh truyền trong giới hạn tính tương quan chéo của chuỗi PN. 5, Thu – phát tín hiệu trong CDMA: Việc truyền tín hiệu gồm có các bước sau: (1) Mã giả ngẫu nhiên được sinh ra, mỗi kênh khác nhau và mỗi kết nối thành công (2) Thông tin dữ liệu điều chế thành mã giả ngẫu nhiên (dữ liệu được “trải ra”) (3) Tín hiệu thu được sau đó được điều chế sóng mang. (4) Sóng mang đã điều chế được khuếch đại và truyền đi. Việc nhận tín hiệu gồm các bước sau: (1) Sóng mang nhận được rồi khuếch đại lên. (2) Tín hiệu nhận được được trộn với sóng mang tại máy thu để khôi phục tín hiệu số trải rộng. (3) Một mã giả ngẫu nhiêu được sinh ra, phù hợp với tín hiệu mong đợi. (4) Bộ thu thu được mã đã nhận và pha chốt mã của nó với mã nhận đc. (5) Tín hiệu đã nhận được tương quan với mã được sinh ra, từ đó rút ra dữ liệu. Phát tín hiệu: Tín hiệu đầu vào của hệ thống CDMA có thể là thông tin dữ liệu từ vài nguồn, như là tiếng nói được số hóa hay kênh ISDN. Tốc độ dữ liệu có thể thay đổi, ví dụ: Data Source Data Rate Voice Pulse Code Modulation (PCM) Điều chế xung mã 64 kBits/sec Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM) 32 kBits/sec Low Delay Code Excited Linear Prediction (LD-CELP) 16 kBits/sec ISDN Bearer Channel (B-Channel) 64 kBits/sec Data Channel (D-Channel) 16 kBits/sec Hệ thống làm việc ở tốc độ dữ liệu 64kb/s, nhưng có thể chấp nhận tốc độ đầu vào 8,16,32kb/s. Đầu vào nhỏ hơn 64kb/s được đệm thêm bit để tốc độ trở thành 64kb/s Với đầu vào 8, 16, 32 hay 64kb/s, hệ thống áp dụng mã sửa lỗi trước (FEC), làm gấp đôi tốc độ bít lên 128kb/s. Mô hình điều chế phức, truyền 2 bít một lúc, cứ 2 bít được mã thành 1 biểu tượng. Với đầu vào nhỏ hơn 64kb/s, mỗi biểu tượng được lặp lại để tốc độ truyền đạt được 64k biểu tượng/s. Mỗi thành phần của tín hiệu phức mang 1 bit của 2 bit biểu tượng, ở 64kb/s, được chỉ ra ở bên dưới. Tạo mã giả ngẫu nhiên: Với mỗi kênh, trạm cơ cở tạo một mã duy nhất, mã này thay đổi cho mỗi kết nối. Trạm cơ sở cộng tất cả các mã truyền với nhau cho mọi thuê bao. Đơn vị thuê bao tạo chính xác mã phù hợp của nó và sử dụng mã đó để rút ra tín hiệu dành riêng cho thuê bao đó. Mỗi thuê bao sử dụng vài kênh độc lập. Tương quan mã: Trong phần này, tương quan được chỉ ra dưới ý nghĩa toán học. Nói chung, hàm tương quan có những tính chất sau: Bằng 1 nếu 2 mã giống hệt nhau Bằng 0 nếu 2 mã không có điềm nào chung Giá trị trung gian chỉ ra mã giống nhau bao nhiêu. Mã càng giống nhau, bộ thu càng khó rút ra được tín hiệu chính xác. Có 2 hàm tương quan: Tương quan chéo: Tương quan của 2 mã khác nhau. Như chúng ta vừa nói, nó phải càng nhỏ càng tốt. Tương quan tự động: Tương quan của mã với chính phiên bản hiệu trễ của nó. Để loại bỏ giao thoa đa đường, hàm này phải bằng 0 để bất kì thời gian trễ đều khác 0. Bộ thu sử dụng tương quan chéo để phân biệt (tách) tín hiệu thích hợp ra khỏi tín hiệu (có ý nghĩa) của bộ thu khác; tương quan tự động để loại bỏ giao thoa đa đường. Trải phổ mã giả ngẫu nhiên: dữ liệu đã được mã hóa FEC điều chế thành mã giả ngẫu nhiên. Vài thuật ngữ được liên quan đến mã giả ngẫu nhiên: Chipping Frequency (fc): tốc độ bit của mã PN Information rate (fi): Tốc độ bit của dữ liệu Chip: 1 bit của mã PN Epoch: chu kì của mã Phổ của tín hiệu (mà xanh) và phổ của mã giả ồn (màu vàng) Truyền dữ liệu: Tín hiệu kết quả của mã hóa tiếp đó được điều chế sóng mang RF, sử dụng khóa dịch vuông pha (QPSK). QPSK sử dụng 4 trạng thái khác nhau để mã hóa 1 biểu tượng. 4 trạng thái khác nhau là dịch pha của sóng mang trong các góc phần tư. Theo quy ước, dịch pha là 45, 135, 225, 315 độ. Vì có 4 trạng thái được sử dụng để mã hóa dữ liệu nhị phân, nên mỗi trạng thái biểu diễn 2 bit. 2 bit từ này được gọi là biểu tượng. hình 3 chỉ ra tổng quan QPSK hoạt động Mô hình điều chế QPSK Tín hiệu điều chế QPSK Điều chế phức: Theo đại số, sóng mang trong dịch pha, Y(t), có thể biểu diễn là tổng của 2 thành phần, sóng Cosine và sóng Sine: I(t) được gọi là phần thực, hay đồng pha, thành phần của dữ liệu, và Q(t) được gọi là phần ảo, hay là vuông pha, thành phần của dữ liệu. Chúng ta bắt đầu với 2 sóng PSK nhị phân được thêm vào. Để dễ dàng điều chế và sau đó là giải điều chế Đây ko chỉ là một đặc tính (sự giống) đại số, mà còn là định dạng (cách thức) cơ bản của mô hình (sơ đồ) điều chế/giải điều chế. Bộ phát sinh ra 2 sóng mang với cùng tần số, một sine và một cosine. I(t) và Q(t) là nhị phân, điều chế mỗi thành phần bằng dịch pha một cái với 0° và một cái với 180°. Cả 2 thành phần sau đó được cộng lại với nhau. Vì I(t) và Q(t) là nhị phân, chúng ta sẽ coi (gọi) chúng đơn giản là I và Q. Bộ thu sinh ra 2 sóng tham chiếu, và giải điều chế mỗi thành phần. Tách dịch pha 180 độ đơn giản hơn tách dịch pha 90°. Trong bảng sau tổng kết mẫu điều chế. Chú ý rằng I và Q được chuẩn hóa là 1. Symbol I Q Phase shift 00 +1 +1 45° 01 +1 -1 315° 10 -1 +1 135° 11 -1 -1 225° Trong Xử lý tín hiệu số, biểu tượng 2 bít được xem như là số phức I +jQ. Làm việc với dữ liệu phức: Để sử dụng (đầy đủ) toàn bộ hiệu quả của xử lý tín hiệu số, việc biến đổi thông tin dữ liệu sang ký hiệu phức phải thực hiện trước khi điều chế. Hệ thống sinh ra mã PN phức được cấu thành từ 2 thành phần độc lập, PNi+jPNq. Để trải rộng dữ liệu, hệ thống thực hiện nhân phức giữa PN phức với dữ liệu phức. Cộng nhiều kênh với nhau: Nhiều kênh được cộng với nhau và truyền đồng thời. Việc này thức hiện theo (một cách) kĩ thuật số tại tốc độ chip (tốc độ của mã PN). Nhớ rằng, có hàng tỉ chip trong mỗi biểu tượng. Để rõ ràng, hãy coi mỗi chíp như là 1 từ 8 bit. Tại tốc độ chip: Thông tin dữ liệu được chuyển sang biểu tượng 2 bit Bít đầu tiên của biểu tượng được đặt vào dòng dữ liệu I, bít thứ 2 được đặt vào dòng dữ liệu Q Mã PN phức được sinh ra. Mã PN phức có 2 thành phần được sinh ra độc lập, thành phần I và Q Thông tin dữ liệu phức và mã phức PN được nhân với nhau. Cho mỗi thành phần (I hoặc Q): Mỗi chip (bít mã PN) tương ứng với từ 8 bit. Tuy nhiên, vì một chip là 1 hoặc 0, từ 8 bit bằng 1 hoặc -1 Khi nhiều kênh được cộng lại với nhau, từ 8 bit, như là tổng của tất cả các chip, có thể nhận giá trị từ -128 đến +128. Từ 8 bit sau đó đi qua bộ chuyển đổi số sang tương tự, kết quả trong mỗi mức tương tự tỉ lệ với mỗi giá trị của từ 8 bit Giá trị sau đó được điều chế biên độ sóng mang (thành phần I điều chế cosine, thành phần Q điều chế sine) Sóng đã điều chế được cộng lại với nhau. Vì I và Q không giới hạn tới 1 hay -1, dịch pha của sóng ghép không bị giới hạn trong 4 trạng thái, pha và biên độ thay đổi theo: A2 = I2 + Q2 Tan((Y) = Q/I Tại tốc độ biểu tượng: Vì mã PN có tính chất thống kê của ồn ngẫu nhiên, nó tính trung bình tới 0 trên chu kì dài (như chu kì biểu tượng). Do đó, sự thay đổi bất thường (sự dao động) của I và Q, và vì lý do điều chế pha của sóng mang, xảy ra tại tần số chip, tính trung bình bằng 0. Trên chu kì biểu tượng, điều chế tính trung bình tới 1 của 4 trạng thái của QPSK, để quyết định biểu tượng là j. Biểu tượng chỉ nhận ra QPSK, và tuân theo tất cả thuộc tính thống kê của truyền QPSK, kể cả tốc độ lỗi bit. Nhận dữ liệu: Bộ nhận dữ liệu thực hiện những bước sau để lấy thông tin ra: Giải điều chế thu và khóa mã tương quan mã với tín hiệu mã thông tin dữ liệu Giải điều chế: Bộ thu sinh 2 sóng tham chiếu, Cosine và Sine. Trộn riêng rẽ mỗi cái với sóng mang đã nhận đc, bộ thu rút ra I(t) và Q(t). Bộ chuyển đổi tương tự số khôi phục từ 8 bit biểu diễn chip I và Q. Thu và khóa mã: Bộ thu, như đã mô tả từ trc’, sinh mã PN phức của nó phù hợp với mã của bộ phát. Tuy nhiên, mã nội tại phải được khóa pha để mã hóa dữ liệu. Mỗi RCS (và FSU (Functional Sub Unit) có những cách khác nhau để thu và khóa trên mã truyền của mỗi cái. Mỗi cách sẽ được nhắc lại kĩ hơn trong những phần sau. Tương quan và co dữ liêu: Một khi mã PN được khóa pha để điều khiển, tín hiệu đã nhận được gửi tới bộ tương quan, bộ tương quan nhân nó với mã PN phức, rút ra dữ liệu I và Q có ý nghĩa cho bộ thu. Bộ thu sẽ dựng lại dữ liệu thông tin từ I và Q. 6, Các đặc tính ưu việt của CDMA so với chuẩn khác: - Sử dụng bộ mã hoá ưu việt. - Chuyển giao mềm. - Điều khiển công suất. 6.1, Sử dụng bộ mã hoá ưu việt: Nhờ hệ thống kích hoạt thoại, hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý số lượng thuê bao cao gấp 5-20 lần so với công nghệ GSM. Áp dụng kỹ thuật mã hóa thoại mới, CDMA nâng chất lượng thoại lên gần bằng với hệ thống điện thoại hữu tuyến. Bộ mã hoá có tốc độ biến đổi cho dù tốc độ của số liệu băng cơ sở biến đổi, hình dạng tín hiệu được điều chế vẫn không đổi. Vì vậy 1 số kiểu lớp dịch vụ có thể được cung cấp bằng cách thay đổi tốc độ số liệu. Ví dụ nhờ thay đổi tốc độ của bộ mã hoá tiếng, một số kiểu dịch vụ chất lượng thoại chịu các yêu cầu khác nhau có thể được cung cấp. Điều này không ảnh hưởng tới điều khiển hệ thống và yêu cầu không tái cấu hình hệ thống. Nhà khai thác mạng tế bào lắp đặt và điều khiển một tập hợp các bộ mã hoá tiếng nói được điều khiển theo nhiều tốc độ khác nhau do MSC để chúng có thể sử dụng chung. Tốc độ tín hiệu của mỗi kênh mã hoá tiếng nói được xác định cho mỗi cuộc gọi bằng tham số phần mềm. Một số kiểu dịch vụ phi thoại (số liệu, fax, video, ISDN và các dịch vụ khác) hoạt động với các tốc độ số liệu khác với bộ mã hoá tiếng nói. Các yêu cầu của kiểu dịch vụ này có thể được đáp ứng đầy đủ. Suốt giai đoạn đầu vận hành, bộ mã hoá tiếng nói 8kb/s hoạt động dựa trên thuật toán QCELP được lắp đặt. Ngoài ra tốc độ bộ mã hoá tiếng nói 8kb/s đã được lựa cho để điều khiển nhờ xem xét dung lượng của thế hệ đầu tiên của hệ thống tế bào số và hệ thống PCN. Dung lượng của hệ thống CDMA tỷ lệ với tốc độ số liệu cơ bản của bộ mã hoá tiếng nói. Ví dụ bộ mã hoá tiếng nói hoạt động với tốc độ thấp 4kb/s, tăng dung lượng gấp 1,7 lần (dung lượng hệ thống không gấp đôi bởi vì truyền dẫn tốc độ thấp yêu cầu để trống trong thoại). Kết quả bên ngoài, vị trí và các kiểm thử MOS trên hệ thống CDMA sử dụng thuật toán QCELP chỉ ra rằng bộ mã hoá tiếng nói tốc độ thay đổi 8 kbps cung cấp tiếng nói có chất lượng cao hơn hệ thống tương tự và TDMA. Đặc biệt bộ mã hoá tiếng nói đưa ra chất lượng cao và các tính chất được tăng cường khi sử dụng dưới các điều kiện điều khiển và lan truyền vô tuyến kém. Bộ mã hoá tiếng nói tốc độ thay đổi được vận hành với tốc độ truyền 8, 4, 2 và 1kbps và tương ứng theo trình tự 9,6; 4,8; 2,4; và 1,2 kbps. Một cặp bộ mã hoá tiếng nói được sử dụng cho một đường dẫn: 1 nằm ở MSC trong khi cái khác nằm trên kênh số của máy di động. Hơn nữa bộ vi xử lý đa năng chung và chip ASIC có thể được sử dụng cho bộ mã hoá tiếng nói. Trên kênh hướng đi (từ trạm gốc tới máy di động) bộ mã hoá tiếng nói sẽ thông báo tốc độ gói tới card kênh trạm gốc. Card kênh phát đi các khung thông qua sự tiếp nhận các ký hiệu và truyền dẫn đầu ra thấp. Vì vậy gói bộ mã hoá tiếng nói được gửi tới trạm gốc có một số lượng bit nhỏ có tốc độ thấp. Máy phát tiếp tục phát các tín hiệu vô tuyến và độ lợi của mỗi kênh tiếp tục thay đổi khi bận phụ thuộc vào thành phần thoại (1 trong số các yếu tố quan trọng) tại máy di động bộ mã hoá tiếng nói phải xử lý khung của bộ mã hoá tiếng nói nhận được 4 lần. Sau đó bộ điều khiển micoro xác định tốc độ tín hiệu được phát đi dựa trên tốc độ sai lệch mã chấp nhận được đo bởi bộ giải mã và các kết quả thẩm tra CRC. Trên kênh hướng về (từ máy di động tới trạm gốc) bộ mã hoá tiếng nói nguồn ở máy di động tương ứng và bộ mã hoá tiếng nói sẽ thông báo sự thay đổi tốc độ số liệu tới bộ điều chế. Dạng sóng phát của mỗi một máy di động được thực hiện theo cấu trúc ghép phân chia thời gian (TDM). Số liệu tốc độ thấp được tạo ra nhờ PN cắt dạng sóng phát. Các tín hiệu khác bất kỳ được truyền đi với tốc độ số liệu cao nhất và dạng sóng truyền được thực hiện với 6 nhóm ký hiệu Wash. Vì vậy khi truyền dẫn ở tốc độ 9600 kbps các dạng sóng liên tục được dùng trái lại khi truyền ở tốc độ 4800 kbps, 1/2 dạng sóng bị cắt. 6.2, Chuyển giao mềm: Trong hệ thống tương tự chuyển vùng không thực hiện được khi không có các kênh khả dụng trong các trạm gốc lân cận. Ngoài ra khi các trạm gốc đã thông báo sự tiếp nhận tín hiệu máy di động đang nhận sai dạng tín hiệu của máy di động khác đang sử dụng cùng kênh trong trạm gốc khác thay cho máy di động đã yêu cầu chuyển vùng thì quá trình xử lý chuyển vùng thất bại. Trong trường hợp này cuộc gọi được chuyển tới trạm gốc không dự định. Ngoài ra quá trình xử lý chuyển vùng thất bại khi máy di động tương ứng nhận sai lệnh chuyển kênh. Thực tế xử lý chuyển vùng thường thất bại và vì vậy cần phải tăng tỷ lệ thành công chuyển vùng. Hiện tượng pingpong (trường hợp máy di động được định vị xung quanh vùng biên giới, cường độ của các tín hiệu thu của 2 trạm gốc liên tụ thay đổi như là vị trí của máy di động được thay đổi. Tình huống này có thể quá tải bộ điều khiển hệ thống và làm khả năng mất liên lạc của cuộc gọi tăng lên. Vì hệ thống TDMA sử dụng cơ chế điều khiển giống như vậy trong hệ thống tương tự nên cũng tạo ra các vấn đề đó. Đặc điểm chuyển vùng mềm của hệ thống CDMA sử dụng 2 trạm gốc cùng lúc và vì vậy nó có thể giảm khả năng mất liên lạc xảy ra trên vùng danh giới trong khi chuyển vùng. Hơn nữa trong hệ thống CDMA khi cuộc gọi bắt đầu danh sách các trạm gốc có thể chuyển vùng cuộc gọi và các giá trị ngưỡng chuyển vùng được cung cấp cho thuê bao. Thuê bao ngoài việc dò tìm tín hiệu trong trạm gốc quản lý nó, nó còn tìm kiếm tất cả các tín hiệu dẫn đường (tầm quan trọng đặc biệt để các trạm gốc thực hiện chuyển vùng) và duy trì danh sách tất cả các tín hiệu dẫn đường cao hơn mức ngưỡng được đưa ra trong giai đoạn khởi đầu thiết lập cuộc gọi. Điều này được mô tả trong hình 3-4 danh sách này được truyền tới MSC khi tín hiệu dẫn đường của trạm gốc kiểm soát cuộc gọi giảm xuống dưới giá trị nhỏ nhất được yêu cầu cho thiết lập và duy trì cuộc gọi. Hình 3-4 Mức tín hiệu chuyển vùng của máy di động Khi lệnh của MSC được chuyển qua trạm gốc trước khi chuyển, máy di động bắt đầu nhận tín hiệu của trạm gốc thứ 2, sau đó chất lượng của tín hiệu thu tăng lên nhờ tổ hợp đa dạng của 2 tín hiệu nhận được (số liệu phát của 2 trạm gốc giống nhau). Cùng lúc này cả 2 trạm gốc nhận lệnh điều khiển công suất. Khi nhận lệnh cả 2 trạm gốc phải yêu cầu tăng mức công suất của máy di động. Số liệu của máy di động, được cả 2 trạm gốc thu và sau đó gửi tới MSC. MSC chọn lọc các tín hiệu chất lượng tốt trong mọi khung 20 ms và sau đó coi nó như là số liệu được phát đi từ máy di động. Kiểu dẫn đường kép này được huỷ kết nối khi máy di động quay lại trạm gốc trước khi chuyển, cuộc gọi với trạm gốc trước khi chuyển bị cắt hoặc nhờ sự dò tìm tín hiệu của trạm gốc thứ 3 trước khi hoàn thành chuyển vùng. Quá trình xử lý này được xác định thông qua sử dụng giá trị EC/No của tín hiệu dẫn đường. Chỉ các tín hiệu đó vượt quá giới hạn được định nghĩa trước được nhận như là các tín hiệu dẫn đường mới. Các tín hiệu dẫn đường vượt quá giá trị ngưỡng đặt ra ban đầu được duy trì cho chu kỳ thời gian thực để bảo đảm độ tin cậy xử lý chuyển vùng giá trị Eb/Eo được đo bởi máy di động, thông tin trạm gốc được tập hợp bởi các trạm gốc do MSC điều khiển. Sự do liên tục cường độ tín hiệu dẫn đường, danh giới kích thước thích hợp và khoảng thời gian là yếu tố để thực hiện xử lý chuyển vùng ổn định. Quá trình xử lý tương tự được thực hiện khi 1 máy di động chuyển động từ 1 hình quạt tới 1 hình quạt khác. Trong quá trình xử lý này được gọi là chuyển vùng mềm hơn, máy di động thực hiện các bước tương tự như chuyển vùng mềm. Trong khi chuyển vùng mềm hơn, trạm gốc tự nó nhận yêu cầu chuyển vùng để thêm tín hiệu phát qua 1 hình quạt mới. Kết quả là một đường dẫn song song được cung cấp như trong trường hợp chuyển vùng mềm. Máy thu của trạm gốc tổng hợp các tín hiệu nhận được qua 2 anten hình quạt và các tín hiệu phối hợp của nhiều giải điều chế. Bước này được thông báo tới MSC hoặc trạm gốc nhưng nó không trực tiếp điều khiển. Trong trường này không đường dẫn bổ xung nào được yêu cầu giữa MSC hoặc trạm gốc cho chuyển vùng mềm hơn và không cần tới phần cứng bổ xung. Một số ưu điểm của chuyển vùng mềm và chuyển vùng mềm hơn của hệ thống CDMA bao gồm 1 chuyển vùng mềm dẻo, sự chính xác các bít số liệu, các tỷ lệ mất cuộc gọi nhỏ, chất lượng cuộc gọi cao ở vùng giới hạn và giảm quá tải hệ thống chuyển mạch. Khi hệ thống analog và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch "cắt - trước khi - nối" thì chuyển vùng mềm của hệ thống CDMA chấp nhận chuyển mạch "nối - trước khi - cắt". Vì vậy hệ thống CDMA bảm bảo xác suất rớt cuộc gọi là nhỏ hơn. 3.3, Điều khiển công suất: Một ưu điểm khác nữa của CDMA là nhờ sử dụng các thuật toán điều khiển nhanh và chính xác, thuê bao chỉ phát ở mức công suất vừa đủ để đảm bảo chất lượng tín hiệu, giúp tăng tuổi thọ của pin, thời gian chờ và đàm thoại. Máy điện thoại di động CDMA cũng có thể sử dụng pin nhỏ hơn, nên trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễ sử dụng. Trong thông tin di động, thuê bao di động di chuyển khắp nơi với nhiều tốc độ khác nhau, vì thế tín hiệu phát ra có thể bị sụt giảm một cách ngẫu nhiên. Để bù cho sự sụt giảm này, hệ thống phải điều khiển cho thuê bao tăng mức công suất phát. Các hệ thống analog và GSM hiện nay có khả năng điều khiển chậm và đơn giản, thuê bao không thể thay đổi mức công suất đủ nhanh, do đó phải luôn luôn phát ở công suất cao hơn vài dB so với mức cần thiết. Tuy nhiên, để sử dụng mạng điện thoại di động CDMA, người dùng phải trang bị thiết bị đầu cuối phù hợp với công nghệ của mạng. Chi phí cho thiết bị đầu cuối CDMA hiện nay khoảng 200-1.000 USD tùy công năng của máy, trong tương lai giá sẽ thấp hơn. Trong vấn đề bảo mật, CDMA cung cấp chế độ bảo mật cao nhờ sử dụng tín hiệu trải băng phổ rộng. Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet... Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới. Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát. Tuy nhiên, những máy điện thoại di động đang sử dụng chuẩn GSM hiện nay không thể sử dụng chuẩn CDMA. Nếu tiếp tục phát triển GSM, hệ thống thông tin di động này sẽ phải phát triển lên WTDMA mới đáp ứng được nhu cầu truy cập di động các loại thông tin từ mạng Internet với tốc độ cao, thay vì với tốc độ 9.600 bit/giây như hiện nay, và so với tốc độ 144.000 bit/giây của CDMA. Trong thiết kế hệ thống CDMA người ta mong muốn tăng lên tột độ số lượng các khách hàng gọi cùng một lúc trong giải thông xác định. Khi công suất phát của mỗi máy di động được điều khiển bằng cách nó có thể tiếp nhận trạm gốc với tỷ lệ tín hiệu/nhiễu nhỏ nhất, dung lượng hệ thống được tăng lên rất cao. Nếu công suất phát máy di động được nhận ở trạm gốc thấp quá thì không thể hy vọng chất lượng thoại tốt vì tỷ lệ lỗi bit quá cao. Và nếu công suất nhận được ở trạm gốc cao thì có thể thu được chất lượng thoại cao hơn ở máy di động. Tuy nhiên kết quả của sự tăng nhiễu trên các máy di động sử dụng các kênh chung dẫn tới chất lượng thoại bị giảm xuống trong khi toàn bộ các thuê bao không bị giảm xuống. 1) Điều khiển công suất mạch vòng hở trên kênh về của CDMA Mỗi máy di động chịu suy hao đường được tạo ra từ trạm gốc. Trong CDMA tất cả các trạm gốc phát tín hiệu dẫn đường ở cùng tần số và tất cả các máy di động bắt đầu đồng bộ bằng sử dụng các tín hiệu dẫn đường này. Và gốc tần số và thời gian để dải điều chế các tín hiệu thoại số được truyền đi từ mỗi trạm gốc. Máy di động đo tổng cường độ tín hiệu dẫn đường từ trạm gốc và cường độ tín hiệu nhận được từ tất cả các trạm gốc. Cường độ tín hiệu máy di động nhận được cho phép máy di động điều khiển công suất phát của nó. Nếu cường độ tín hiệu thu được cao công suất phát của máy di động giảm xuống, có nghĩa trạng thái máy di động rất gần trạm gốc hoặc lượng suy hao đường dẫn thấp. Nó cũng có nghĩa là với công suất phát di động tương đối thấp máy di động có thể đưa ra công suất nhận được danh định cho trạm gốc. Trường hợp tăng đột biến môi trường kênh xẩy ra thì thiết bị điều khiển công suất mạch vòng theo kiểu tương tự với vùng động 85dB hoặc hơn đáp ứng ngay lập tức trong 1ms. Vì vậy bằng cách giảm công suất phát của máy di động thiết bị điều khiển tránh làm nó không tăng cao hơn mức yêu cầu. Tốc độ tăng công suất phát máy di động thường phải nằm trong tốc độ điều khiển công suất mạch vòng khép kín từ trạm gốc. Bằng cách này các máy di động không thể tăng công suất phát quá lớn cho dù có sự suy giảm đột ngột chất lượng thoại trên kênh hướng đi. Các kênh đồng bộ từ mỗi trạm gốc gồm thông tin về công suất phát của các kênh dẫn đường và máy di động xác định công suất phát sử dụng thông tin đó. Khi sử dụng các chức năng này có thể tạo ra sự chênh lệch giữa công suất phát và hệ số tăng ích của anten (ERP đầu ra) của trạm gốc dựa trên cơ sở kích thước tế bào. Ví dụ 1 trạm gốc với vùng phục vụ rộng lớn cần công suất phát cao trái lại 1 trạm với vùng phục vụ nhỏ không cần công suất phát cao. Tất nhiên nếu 1 máy di động ở khoảng cách xa nhất định từ một trạm gốc công suất thấp thì cường độ tín hiệu mà nó nhận được từ trạm gốc thấp hơn so với trường hợp ở khoảng cách tương tự từ một trạm gốc công suất cao hơn. Kết quả là máy di động phát công suất cần thiết và vì vậy cần phải cung cấp cho nó các thông tin về điều khiển công suất của mỗi trạm gốc. 2) Điều khiển công suất mạch vòng kín trên kênh hướng về của CDMA Trong hệ thống tế bào các kênh vô tuyến kép đầy đủ được sử dụng nếu dải tần sử dụng từ trạm gốc tới máy di động khác với dải tần từ máy di động tới trạm gốc. Sự khác biệt của tần số này cho phép sử dụng đồng thời các máy phát và các máy thu ở máy di động mà không có hồi tiếp hay nhiễu của các tín hiệu phát của máy di động tới các bộ thu của máy di động. Cũng như vậy sự tách biệt tần số có tác dụng rất lớn trong xử lý điều khiển công suất. Có nghĩa sự tách biệt tần số 45 MHz giữa kênh hướng đi và hướng về vượt quả dải thông liên kết của các kênh nên máy di động được giả thiết là các giá trị của tổn hao hai đa đường dẫn giống nhau, do không có khả năng suy hao đường dẫn hướng về mặc dù có 1 chênh lệch giữa suy hao đa đường trên kênh hướng đi để đo ở máy di động và suy hao đa đượng của kênh hướng về. Phương pháp đo này cung cấp giá trị trung bình chính xác cho công suất phát nhưng 1 phương pháp phụ được cần tới để tính toán giao thoa Rayleigh chỉ ra các tính chất khác nhau trên 2 kênh. Để bù giao thoa Rayleigh độc lập nhau trên các kênh hướng đi và hướng về mà máy di động không thể đo được, công suất phát máy di động được điều khiển bởi các tín hiệu từ trạm gốc. Các bộ giải điều chế ở mỗi trạm gốc đo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của các tín hiệu nhận được của mỗi máy di động so sánh tỷ lệ này với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm đã chỉ định và phát các lệnh điều khiển đầu ra tới máy di động qua kênh hướng đi. Lệnh điều khiển đầu ra được dùng để xác định công suất máy di động trong giá trị dự tính của công suất phát máy di động mạch vòng mở. Lệnh điều khiển đầu ra được phát từ trạm gốc tăng hay giảm công suất phát của máy đi động so với giá trị thiết lập ban đầu (thường là 0,1dB). Cứ phát 1,25ms một lần lệnh điều khiển đầu ra có thể theo dõi giao thoa Rayleigh trên kênh hướng về. Nó rất quan trọng để giảm thời gian thực hiện xử lý xác định công suất phát và phát lệnh. Để môi trường kênh không bị thay đổi nhiều cho tới khi bít điều khiển được nhận ở máy di động và hoạt động điều khiển được hiện thực sự. Các bộ điều khiển hệ thống ở MSC cung cấp các bộ điều khiển mỗi trạm gốc với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm dựa vào tỷ lệ lỗi của máy di động được phát tới bộ điều khiển kênh được sử dụng cho xác định tăng hay giảm công suất phát của mỗi máy di động. Phương pháp này được gọi là điều khiển công suất mạch vòng kín. 3) Điều khiển công suất trên kênh hướng đi Các tín hiệu công suất phát, được điều khiển bởi thông tin điều khiển phát đi từ trạm gốc, được phát từ mỗi máy di động tới trạm gốc. Khi xẩy ra sự suy giảm đáng kể trên kênh hướng đi trong một vùng nhất định và nếu công suất phát không tăng lên thì chất lượng thoại của các cuộc gọi qua kênh này giảm xuống dưới tiêu chuẩn chất lượng. 1 ví dụ của các vùng này là nơi suy hao đường dẫn giữa 1 máy di động và 1 trạm gốc lân cận hoặc hai là giống như giữa máy di động và trạm gốc bận tương ứng. Toàn bộ lượng nhiễu trong trường hợp này gấp 3 lần trường hợp máy di động lân cận với chỉ 1 trạm gốc. Và cũng vậy các tín hiệu nhiễu từ trạm gốc, sử dụng giao thoa với tín hiệu mong muốn. Trong tình huống này công suất tín hiệu phụ 3-4dB được cần tới để bảo đảm hoạt động trên mức thoả mãn. Ngược lại trong trường hợp trạm gốc có thể phát tín hiệu mong muốn với công suất ra nhỏ hơn công phát ra trung bình giảm và cũng giảm nhiễu tới các tín hiệu khác trong hệ thống. Hình 3-8- Tác dụng điều khiển công suất trên kênh hướng về Để thực hiện điều khiển công suất trên kênh hướng đi trạm gốc giảm theo chu kỳ công suất phát ra tơí máy di động giảm công suất ra như vậy duy trì cho đến khi các máy di động yêu cầu công suất ra bổ sung nhờ dò thấy tăng tỷ lệ lỗi khung. Và trạm gốc tăng công suất phát ra với số gia 0,5dB được chuẩn bị trước khi được yêu cầu để tăng công suất ra của từng máy di động. Sự tăng giảm công suất ra được thực hiện một lần cho một khung mã tiếng nói có nghĩa trung bình 12-20ms chậm hơn tốc độ tăng/giảm công suất ra trên kênh hướng về. Vùng động tăng giảm công suất ra có thể được điều khiển tới +-6dB xung quanh công suất ra trung bình. Kết quả của phương pháp điều khiển công suất mạch vòng hở và kín được chỉ ra trong hình 3-8. Giao thoa Rayleigh của kênh hướng về không liên quan tới kênh hướng đi. 7, Kết luận: Với nhiều ưu điểm vượt trội như vậy, nên công nghệ CDMA đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của con người, với lượng thuê bao lớn. Các thế hệ sau của CDMA là CDMA 2000 MC( thế hệ thứ 3) cho phép người sử dụng thêm nhiều chức năng mới như truy cập web dễ dàng với tốc độ cao, xem video… Và công nghệ TDMA khi đó cũng phải phát triển lên WCDMA mới đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Bài có tham khảo từ một số trang Web: …..