Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã số CDMA

Hiện nay nhu cầu thông tin phục vụ sản xuất kinh doanh và nâng cao dân trí ngày càng trở nên bức thiết. Tại những thành phố lớn, việc sử dụng các phương tiện truyền thông đã trở nên phổ biến. Thông tin đã trở thành một trong những yếu tố quyết định sự thành công trong hoạt động kinh doanh của các doanh nghiệp và cá nhân. Đối với khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa, vai trò thông tin đã có nhiều chuyển biến. Việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực cả trong khu vực sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và nông nghiệp. Tuy nhiên, các phương tiện để mang thông tin đến những đối tượng này còn gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, sự đa dạng và phong phú về nội dung, sự đơn giản và tiện lợi về phương tiện thông tin vẫn là những vấn đề cấp bách cần được giải quyết.

Hiện tại, Việt Nam có 6 nhà khai thác dịch vụ thông tin di động. Mạng di động của Vinaphone, MobiFone, Viettel sử dụng công nghệ GSM (Global System for Mobile Communications-Hệ thống thông tin di động toàn cầu). Mạng di động của S-Fone, Hanoi-Telecom, EVN-Telecom sử dụng công nghệ CDMA.

CDMA là viết tắt của cụm từ Code Division Multiple Access (Phương thức đa truy nhập phân chia theo mã số). Đây là một công nghệ mới mang tính đột phá được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và mang ý nghĩa là tiêu chuẩn chung toàn cầu của thế hệ điện thoại di động thế hệ thứ 3 (3G) mà thế giới mong muốn đạt tới.

Tập đoàn Qualcomm đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS-95A, hệ thống thông tin di động CDMA IS-95 được xây dựng trên lý thuyết trải phổ, lý thuyết trải phổ đã trở thành động lực phát triển cho nhiều ngành công nghiệp vô tuyến như thông tin cá nhân, thông tin đa truy nhập thuê bao vô tuyến ở mạng nội hạt, thông tin vệ tinh, định vị toàn cầu . . . Chính hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần cao và khả năng truy nhập làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ hàng đầu trong việc giảm nhẹ tắc nghẻn gây ra do sự bùng nổ các mạng vô tuyến di động.

Công nghệ CDMA mới được phát triển trong những năm gần đây và cũng được khá nhiều nhà khai thác lựa chọn với những ưu điểm như: dung lượng mạng lớn, tính năng cải thiện chất lượng thoại, dễ dàng phát triển mạng và khả năng truyền số liệu tốc độ cao, đáp ứng được các dịch vụ tiên tiến sử dụng băng thông rộng như truyền số liệu tốc độ cao, multimedia . . . Đại diện cho thế hệ thông tin di động thứ 3 theo chuẩn CDMA là công nghệ CDMA 2000, có khả năng hổ trợ tốc độ truyền số liệu tối đa đến 2,4 Mbps (theo ITU-T).

Khác với GSM, công nghệ CDMA sau quá trình số hoá, dữ liệu được trãi trên toàn bộ băng phổ rộng dành sẵn. Nhờ vậy, nhiều cuộc gọi có thể tiến hành đồng thời trên cùng một kênh. Mỗi bit thoại được ấn định một tần số mã đặc trưng và tín hiệu này được truyền dẫn trên một dãi băng thông rộng (1.25 MHz). Tín hiệu sẽ được chọn bằng thiết bị thu nhận, thiết bị này đã được lập trình để nhận dạng mã đặc trưng đó.

Với hiệu suất tái sử dụng tần số trãi 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. Với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn mạng GSM, CDMA là công nghệ đáp ứng nhanh và hiệu quả các dịch vụ thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet. CDMA còn rất hữu dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định có chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến nhờ áp dụng kỹ thuật mã hoá thoại mới.

Ngoài ra, sử dụng công nghệ CDMA sẽ ít tốn pin, thời gian đàm thoại lâu hơn. Trong thông tin di động, thuê bao di chuyển khắp nơi với nhiều tốc độ khác nhau, vì thế tín hiệu do thuê bao phát ra có thể bị sụt giảm một cách ngẫu nhiên. Để bù đắp sự sụt giảm này, hệ thống GSM phải điều chỉnh máy điện thoại tăng tối đa mức công suất phát, trong khi công nghệ CDMA sử dụng các thuật toán điều khiển nhanh và chính xác, nhờ vậy máy điện thoại chỉ

phát ở mức công suất vừa đủ để đảm bảo chất lượng tín hiệu. Kết quả là làm tăng tuổi thọ pin, thời gian chờ và đàm thoại lâu hơn.

Hệ thống CDMA có bán kính phục vụ của một trạm phủ sóng lớn hơn các hệ thống GSM, nghĩa là ít trạm gốc hơn, giảm bớt chi phí vận hành dẫn đến việc tiết kiệm cho cả nhà khai thác và người sử dụng mà vẫn đảm bảo chất lượng cuộc gọi đạt tới mức tối ưu.

Tóm lại, công nghệ CDMA mang đến rất nhiều tiện ích cho người sử dụng như:- Chất lượng cuộc gọi được cải tiến: CDMA cung cấp chất lượng âm thanh trung thực và rõ ràng hơn hệ thống di động sử dụng công nghệ khác.- Tính bảo mật cao.- Ít tốn pin, thời gian đàm thoại lâu hơn và kích thước máy nhỏ hơn.- Cung cấp nhiều dịch vụ cộng thêm và truyền dữ liệu với tốc độ cao.

Lê Minh Thuận - Sở BCVT

CDMA (viết đầy đủ là Code Division Multiple Access) nghĩa là đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã. Khác với GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia sẻ thời gian các kênh ấy cho người sử dụng. Trong khi đó thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể nói đồng thời và tín hiệu được phát đi trên cùng một giải tần. Các kênh thuê bao được tách biệt bằng cách sử dụng mã ngẫu nhiên. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các mã 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 động) 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.

Mục lục

 [ẩn]  1 Ứng dụng 2 Ưu điểm

o 2.1 Sử dụng bộ mã hóa ưu việt

o 2.2 Chuyển giao mềm

o 2.3 Điều khiển công suất

3 Liên kết ngoài

[sửa] Ứng dụng

Hiện nay ở Việt Nam có 7 nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động. Trong đó, S-Telecom (S-Fone), EVN Telecom sử dụng công nghệ CDMA, GTel, Mobifone, Vinaphone, Vietnamobile và Vietel sử dụng công nghệ GSM.

Mạng sử dụng chuẩn GSM đang chiếm gần 50% số người dùng điện thoại di động trên toàn cầu. TDMA ngoài chuẩn GSM còn có một chuẩn khác nữa, hiện được sử dụng chủ yếu ở Mỹ Latin, Canada, Đông Á, Đông Âu. Còn công nghệ CDMA đang được sử dụng nhiều ở Mỹ, Hàn Quốc... Công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA là công nghệ truyền sóng kỹ thuật số, cho phép một số người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những rãnh thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh.

Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Còn công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là công nghệ trải phổ cho phép nhiều tần số được sử dụng đồng thời; mã hóa từng gói tín hiệu số bằng một mã khóa duy nhất và gửi đi. Bộ nhận CDMA chỉ biết nhận và giải mã. Công nghệ này có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA. Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn.

[sửa] Ưu điểm

[sửa] Sử dụng bộ mã hóa 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(điện thoại để bàn).

[sửa] Chuyển giao mềm

Đối với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động, các trạm phát phải được đặt rải rác khắp nơi. Mỗi trạm sẽ phủ sóng một vùng nhất định và chịu trách nhiệm với các thuê bao trong vùng đó. Với CDMA, ở vùng chuyển giao, thuê bao có thể liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi không bị ngắt quãng, làm giảm đáng kể xác suất rớt cuộc gọi.

[sửa] 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 WCDMA 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.

Các kỹ thuật Đa Truy Cập (Multiple Access Techniques)

Có 4 kỹ thuật đa truy cập cơ bản sau đây (không kể sự kết hợp của các kỹ thuật này):

I/ Đa truy cập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access)Theo kỹ thật này, mỗi một người sử dụng trong một tế bào (cell) được phân chia một dải tần số (băng tần) nhất định, các băng tần của những người sử dụng khác nhau sẽ không trùng nhau (non-overlap). Người sử dụng gửi và nhận tín hiệu trong băng tần mình được phân chia và tất cả mọi người trong mạng đều gửi/nhận tín hiệu đồng thời. Vì rằng mỗi người sử dụng truyền và nhận tín hiệu trong băng tần của mình cho nên những người sử dụng trong một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau (lý tưởng). Tuy nhiên, do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng, các băng tần sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác. Chình vì vậy có thể có những người sử dụng ở tế bào A gây nhiễu cho một người sử dụng ở tế bào B gần đó do hai người sử dụng này dùng chung một băng tần. Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh (co-channel interference).

II/ Đa truy cập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)Trong cách truy cập này, mỗi người sử dụng được phân chia một khoảng thời gian, gọi là khe thời gian (time-slot) nhất định để truyền và nhận thông tin. Trong khe thời gian mà người sử dụng A truyền và nhận tín hiệu thì tất cả mọi người sử dụng khác trong cùng tế bào đó không được truyền và nhận tín hiệu. Như vậy mọi người sử dụng trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho nhau (lý tưởng) bởi ở một thời điểm cụ thể chỉ có một người duy nhất truyền và nhận tín hiệu. Tuy nhiên, cùng thời điểm đó cũng có thể có một người sử dụng ở tế bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy cập này cũng có nhiễu đồng kênh.

III/ Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)Đây là một cách truy cập khác hẳn hai cách trên. Theo cách này, tất cả mọi người sử dụng trong một tế bào cùng truyền/nhận thông tin một lúc và trên cùng một băng tần số. Do vậy vấn đề nhiễu lẫn nhau giữa những người sử dụng trong cùng một tế bào, giữa những người sử dụng ở các tế bào cạnh nhau (do việc sử dụng lại tần số ở các tế bào cạnh nhau) là một vấn đề lớn nhất trong cách truy cập CDMA này. Để khắc phục vấn đề này, mỗi người sử dụng trong một tế bào sẽ được gán một mã (code) đặc biệt và không có hai người sử dụng nào trong cùng một tế bào có cùng một mã (có nghĩa là mỗi người có một mã riêng biệt). Máy thu sẽ căn cứ vào mã của mỗi người sử dụng để khử bớt (không thể khử hết) nhiễu của những người sử dụng khác trong cùng một tế bào và khôi phục tín hiệu của người đó. Trong kỹ thật này có nhiễu trong tế bào (intra-cell interference) và nhiễu giữa các tế bào (inter-cell interference).

IV/ Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access)Kỹ thuật đa truy cập này khác hẳn với 3 kỹ thuật trên đây. Đó là, tất cả mọi người sử dụng trong cùng một cell đều có thể truyền/nhận tín hiệu một lúc, trên cùng một băng thông và không sử dụng mã như trong CDMA. Như vậy tín hiệu do mọi người sử dụng trong cell và ngoài cell sẽ bị chồng lên nhau (cộng vào nhau). Khử nhiễu do nhiều người sử dụng trong SDMA là một vấn đề vô cùng phức tạp. Phía BS yêu cầu phải có một dãy các ăng-ten lớn (antenna array) để có thể khử nhiễu. Việc khử nhiễu ở phía BS có thể được thực hiện bằng một số kỹ thuật như (a) ước lượng hướng đến của tín hiệu (direction of arrival - DOA) của mỗi người sử dụng để tách tín hiệu của mỗi người sử dụng ra khỏi tín hiệu thu được và (b) dựa vào kỹ thuật khử nhiễu kết hợp với lọc (chẳng hạn khử nhiễu mềm kết hợp với bộ lọc MMSE). Trong kỹ thuật đa truy cập này, BS có sử dụng kỹ thuật beamforming để phát tín hiệu trực tiếp đến người sử dụng.

(+) Kết hợp các kỹ thuật trên đây ta có thể có các hệ thống khác nhau như: TD-CDMA, FD-CDMA, SD-CDMA ...

Các ưu điểm nổi bật của CDMA so với FDMA và TDMA:

- Tính chống nhiễu cao.- Bảo mật tốt (sử dụng đầu tiên trong quân đội)- Khi chuyển từ cell này qua cell khác khả năng rớt cuộc gọ ít xảy ra.- Và có lẽ ưu điểm nổi bật nhất và tăng dung lượng người sử dụng (capacity).

Trong CDMA có khái niệm “giới hạn dung lượng mềm – soft capacity limit” trái ngược với hard capacity limit trong FDMA và TDMA. Có thể hiểu khái niệm đó như sau: với FDMA, TDMA trong một cell số lượng thuê bao – subcriber - có thể liên lạc trong cùng một thời điểm là cố định trong khi đó số lượng thuê bao có thể liên lạc tại cùng một thời điểm trong một cell của CDMA thi không. Tuy nhiên, khi số lượng thuê bao liên lạc tăng dẫn tới mức nhiễu tăng chất lượng liên lạc giảm, đó là mốt quan hệ giữa chất lượng và dung lượng (quality service - capacity) trong CDMA. Trong nhiều năm người ta thường dùng nhiều phương pháp khác nhau để tăng dung lượng trong CDMA như: kĩ thuật tạo các dãy mã giả ngẫu nhiên tối ưu, tạo các bộ lọc tốt, sử dụng các máy thu tương quan ... các kỹ thuật này vẫn chưa sử dụng được toàn bộ các ưu điểm của CDMA.

Multiuser Detection la một kĩ thuật mới, trong đó để thu một tín hiệu của một user máy thu không chỉ tìm kiếm trực tiếp user đó (như trong các máy thu CDMA trước đây) mà co`n dùng thông tin của các user khác để thu tín hiệu của user mong muốn.

Hiệu ứng Xa-Gần và Điều Khiển Công Suất Trong CDMA

Trong hệ thống CDMA, vấn đề lớn nhất là khử nhiễu MUI (hay còn gọi là MAI - Multiple Access Interference). Ngay cả khi công suất của tín hiệu thu được là như nhau đối với mọi người sử dụng thì vấn đề khử MUI đã vô cùng khó khăn. Thế nhưng, nhiều khi người sử dụng mong muốn thì lại có công suất tín hiệu rất nhỏ ở phía máy thu trong khi đó những người sử dụng khác gây nhiễu cho người sử dụng mong muốn thì lại có công suất tín hiệu rất lớn. Trong trường hợp này, nhiễu lớn hơn tín hiệu mong muốn. Điều này xảy ra khi nào? Hãy tưởng tượng, một người sử dụng mà ta đang muốn khôi phục tín hiệu ở rất xa BS trong khi đó những người sử dụng khác thì lại ở rất gần BS, khi đó tín hiệu mong muốn sẽ nhỏ hơn nhiễu do những người mà ta không mong muốn ở gần BS gây ra. Hoặc, khi người sử dụng mà ta mong muốn đang ở khuất trong những dãy nhà lớn hoặc những vật cản khác trong khi những người sử dụng khác thì lại không bị như vậy, khi đó tín hiệu phát đi từ người sử dụng mà ta mong muốn sẽ bị suy giảm (fading) rất lớn. Cái này gọi là hiệu ứng Xa-Gần.

Vậy làm sao để giải quyết vấn đề này?

Phía BS có một thuật toán để phát hiện công suất (power detection) của mọi người sử dụng trong cell. Khi nào công suất tín hiệu thu được của người sử dụng nào đó lớn hơn một ngưỡng đã được định sẵn, BS sẽ gửi tín hiệu '' Này, cậu phải giảm công suất phát xuống đến mức ABC '' đến người sử dụng đó. Ngược lại, khi BS thấy công suất của tín hiệu thu được của người sử dụng nào đó nhỏ hơn một mức nào đó, BS sẽ gửi đến người sử dụng đó một tín hiệu '' Anh phải tăng công suất phát lên mức DEF ''. Làm như vậy, nếu một người ở rất xa BS hoặc đang bị khuất trong các dãy nhà hay các vật cản khác, thì máy điện thoại di động của người đó sẽ được BS thông báo là phải tăng công suất phát và khi một người nào đó ở rất gần BS thì máy ĐTDĐ đó sẽ phải giảm công suất phát. Đây là cách để sẽ tránh được hiệu ứng Xa-Gần.

Kỹ thuật không phát khi không nói chuyện

Một trong những hành động tự nhiên của con người là trong một cuộc nói chuyện, bất kể là bằng điện thoại hay nói chuyện trực tiếp, luôn có những khoảng ngừng không nói. Nếu như trong thời gian hai người nói chuyện bằng điện thoại di động không nói gì mà máy phát của ĐT di động vẫn phát như khi nói thì nó chỉ làm nhiễu những người sử dụng khác mà không mang thông tin thực sự. Dựa vào đó người ta nghĩ ra cách phát hiện, nếu thuê bao không nói chuyện và lúc đó cũng chẳng có gì để nghe (người kia cũng không nói) thì máy ĐT sé không phát nữa. Như vậy trong khoảng thời gian một người không đàm thoại, trong cell sẽ bớt đi được một người gây nhiễu. Điều này cho thấy cực kỳ hữu hiệu trong việc giảm nhiễu trong thông tin thoại di động bởi lẽ tổng số thời gian không nói chuyện trong mỗi cuộc đàm thoại là tương đối lớn.

LỜI NÓI ĐẦU

Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy nhập vô

tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng. Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa

truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách hiệu suất cho các người sử dụng. Tuỳ

thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho các người sử dụng mà các công

nghệ này được phân chia thành: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân

chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mà (CDMA) và đa truy nhập phân chia

theo không gian (SDMA). Các hệ thống thông tin di động mới đều sử dụng kết hợp cả bốn

công nghệ đa truy nhập này để phân bổ hiệu quả nhất tài nguyên cho các người sử dụng. Công

nghệ đa truy nhập phân chia theo mã với nhiều ưu việt so với các công nghệ khác nên ngày

càng trở thành công nghệ đa truy nhập chính.

Công nghệ đa truy nhập CDMA được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ. Kỹ thuật

trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây

các kỹ thuật này mới được nghiên cứu và áp dụng thành công trong các hệ thống tin vô tuyến tổ

ong. Các phần tử cơ bản của mọi hệ thống trải phổ là các chuỗi giả ngẫu nhiên. Có thể coi rằng

Sol Golomb là người đã dành nhiều nghiên cứu toán học cho vấn đề này trong các công trình

của ông vào những năm 1950. Ý niệm đầu tiên về đa truy nhập trải phổ phân chia theo mã

(SSCDMA: Spread Spectrum Code Division Multiple Access) đã được R.Price và P.E.Green

trình bầy trong bài báo của mình năm 1958. Vào đầu những năm 1970 rất nhiều bài báo đã chỉ

ra rằng các hệ thống thông tin CDMA có thể đạt được dung lượng cao hơn các hệ thống thông

tin đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access).Các hệ thống

trải phổ chuỗi trực tiếp đã được xây dựng vào những năm 1950. Thí dụ về các hệ thống đầu

tiên là: ARC-50 của Magnavox và các hệ thống thông tin vô tuyến vệ tinh OM-55, USC-28.

Trong các bài báo của mình (năm 1966) các tác giả J.W.Schwartz, W.J.M.Aein và J. Kaiser là

những người đầu tiên so sánh các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA. Các thí dụ

khác về các hệ thống quân sự sử dụng công nghệ CDMA là vệ tinh thông tin chiến thuật TATS

và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Ở Mỹ các vấn đề về cạn kiệt dung lượng thông tin di động

đã nẩy sinh từ những năm 1980. Tình trạng này đã tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm

ra một phương án thông tin di động số mớí. Để tìm kiếm hệ thống thống tin di động số mới

người ta nghiên cứu công nghệ đa thâm nhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ (CDMA).

Được thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đó được gọi là "Thông tin Qualcom" (Qualcom

Communications) đã phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều

bằng phát minh trong lĩnh vực này. Lúc đầu công nghệ này được đón nhận một cách dè dặt do

quan niệm truyền thống về vô tuyến là mỗi cuộc thọai đòi hỏi một kênh vô tuyến riêng. Đến

nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ và nền tảng của thông tin di

động thế hệ ba. Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS-95A. Hiện nay

phiên bản mới IS-2000 và W-CDMA đã được đưa ra cho hệ thống thông tin di động thứ 3.

Trong lĩnh vực thông tin di động vệ tinh càng ngày càng nhiều hệ thống tiếp nhận sử dụng

công nghệ CDMA. Các thí dụ điển hình về việc sử dụng công nghệ này cho thông tin vệ tinh là: Hệ

thống thông tin di động vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO: Low Earth Orbit) Loral/Qualcom Global

i

Lời nói đầu

Star sử dụng 48 vệ tinh, Hệ thống thông tin di động vệ tinh quỹ đạo trung bình (MEO: Medium

Earth Orbit) TRW sử dụng 12 vệ tinh.

Một trong các hạn chế chính của các hệ thống CDMA hiện này là hiệu năng của chúng phụ

thuộc vào nhiễu của các người sử dụng cùng tần số, MUI (Multi user Interference). Đây là lý do dẫn

đến giảm dung lượng và đòi hỏi phải điều khiển công suất nhanh. Các máy thu liên kết đa người

sử dụng (MUD: Multi User Detector) sẽ cho phép các hệ thống CDMA mới dần khắc phục được

các nhược điểm này và cho phép CDMA tỏ rõ được ưu điểm vượt trội của nó.

Gần đây một số công nghệ đa truy nhập mới như: đa truy nhập phân chia theo tần số

trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và CDMA đa sóng mang

(MC CDMA: Multicarrier CDMA) cũng trở thành đề tài nghiên cứu của nhiều trường đại học

và các phòng thí nghiệm trên thế giới. Đây là các phương pháp đa truy nhập mới đầy triển

vọng. Điều chế OFDM là cơ sở để xây dựng OFDMA đã được công nhận là tiêu chuẩn cho

WLAN 802.11 và HIPERLAN. Trong tương lai hai công nghệ đa truy nhập này rất có thể sẽ

tìm được các ứng dụng mới trong các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến băng rộng đa

phương tiện và di động thế hệ sau.

Tài liệu bao gồm các bài giảng về môn học "Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô

tuyến" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông. Mục đích của tài liệu là cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn

bản nhất về các phương pháp đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải phổ để có thể tiếp cận

các công nghệ thông tin vô tuyến di động mới đang và sẽ phát triển rất nhanh.

Tài liệu này được xây dựng trên cơ sở sinh viên đã học các môn: Anten và truyền sóng,

Truyền dẫn vô tuuến số. Tài liệu là cơ sở để sinh viên học các môn học: Thông tin di động,

Thông tin vệ tinh và các Hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến khác như WLAN.

Do hạn chế của thời lượng nên tài liệu này chỉ bao gồm các phần căn bản liên quan đến

các kiến thức cơ sở về lý thuyết trải phổ và đa truy nhập. Tuy nhiên học kỹ tài liệu này sinh

viên có thể hoàn chỉnh thêm kiến thức cuả môn học bằng cách đọc các tài liệu tham khảo dẫn ra

ở cuối tài liệu này.

Tài liệu này được chia làm sáu chương. Được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự

học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài

liệu là đáp án cho các bài tập.

Người biên soạn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

ii

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP

VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương

• Tổng quan FDMA • Tổng quan TDMA • Tổng quan CDMA • Tổng quan SDMA

• So sánh dung lượng các hệ thống FDMA, TDMA và CDMA

1.1.2. Hướng dẫn

• Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này • Tham khảo thêm [2] • Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương

1.1.3. Mục đích chương

• Hiểu được tổng quan các phương pháp đa truy nhập • Hiẻu cách so sánh được dung lượng của các hệ thống đa truy nhập khác nhau

1.2. MỞ ĐẦU

Các phương thức đa truy nhập vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong các mạng thông tin di

động. Trong chương này ta sẽ xét tổng quan các phương pháp đa truy nhập được sử dụng trong

thông tin vô tuyến. Ngoài ra ta cũng xét kỹ thuật trải phổ như là kỹ thuật cơ sở cho các hệ thống

thông tin di động CDMA. Mô hình của một hệ thống đa truy nhập được cho ở hình 1.1.

1

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

Hình 1.1. Các hệ thống đa truy nhập: a) các đầu cuối mặt đất và bộ phát đáp, b) các trạm

di động và các trạm gốc.

Thông thường 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 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 như 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 đường truyền: một đường từ các trạm

đầu cuối đến các trạm gốc hoặc các trạm phát đáp, còn đường khi theo chiều ngược lại. Theo quy

ước chung đường thứ nhất được là đường lên còn đường thứ hai được gọi là đường xuống. Các

phương pháp đa truy nhập được 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 phương pháp đa truy nhập cơ bản nói trên có thể kết hợp với nhau để tạo thành

một phương pháp đa truy nhập mới.Các phương pháp đa truy nhập được xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên vô tuyến

cho các nguồn sử dụng (các kênh truyền dẫn) khác nhau.

2

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

Nguyên lý của ba phương pháp đa truy nhập cơ bản đầu tiên được cho ở hình 1.2. Mỗi kênh người 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 được 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 trước các sóng mang đồng thời chiếm hình chữ nhật này và gây nhiễu cho nhau. Để tránh được 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 được. Để đạt được sự phân biệt này các tài nguyên phải được phân chia:

Như là hàm số của vị trí năng lượng 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). Như là hàm vị trí thời gian của các năng lượng sóng mang. Máy thu thu lần lượt các sóng mang cùng tần số theo thời gian và phân tách chúng bằng cách mở cổng lần lượt 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).

Như là hàm phụ thuộc mã của các năng lượng 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 được phát. Do mỗi kênh hay nguồn phát có một mã riêng nên máy thu có thể phân biệt được sóng mang thậm chí tất cả các sóng mang đồng thời chiếm cùng một tần số. Mã phân biệt kênh hay nguồn phát thường được thực hiện bằng các mã giả tạp âm (PN: Pseudo Noise Code). Phương pháp này được 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 được điều chế bởi thông tin hữu ích. Đây cũng là lý do mà CDMA còn được gọi là đa truy nhập trải phổ (SSMA: Spread Spectrum Multiple Access).

Như là hàm phụ thuộc vào không gian của các năng lương sóng mang. Năng lương sóng

mang của các kênh hay các nguồn phát khác nhau được 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

được quy định trước nên máy thu có thể thu được 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.

Phương pháp này được gọi là phương pháp đa truy nhập theo không gian (SDMA: Space

Division Multiple Access). Có nhiều biện pháp để thực hiện SDMA như:

3

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

Tần số

Trạm gốcNf

t1

fFDMA2

B1 t f

2N

t 2

a)1

NFDMA

Trạm gốc Tần số

f 1t

f 2t TDMA

1B

2f

N t 1 2b)

Mãf

N

Trạm gốc TDMA

1Mã

t CDMA

1Mã Tần số

f 1

22

N t

c)N

N

CDMA

Thời gian

N

Thời gian

Thời gian

Hình 1.2. Nguyên lý đa truy nhập: a) Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA); b) Đa

truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA); c) Đa truy nhập phân cha theo mã (CDMA)

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. Phương pháp này thường được gọi là phương pháp tái

sử dụng tần số và khoảng cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây nhiễu

cho nhau được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số. Cần lưu ý rằng thuật ngữ tái sử dụng

tần số cũng được sử dụng cho trường hợp hai nguồn phát hay hai kênh truyền dẫn sử dụng

chung tần số nhưng được phát đi ở hai phân cực khác nhau.

4

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

2. Sử dụng các anten thông minh (Smart Anten). Các anten này cho phép tập trung năng lượng sóng mang của nguồn phát vào hướng có lợi nhất cho máy thu chủ định và tránh gây nhiễu cho các máy thu khác.

Các phương pháp đa truy nhập nói trên có thể kết hợp với nhau. Hình 1.3 cho thấy các

cách kết hợp của ba phương pháp đa truy nhập đầu tiên.

Kỹ thuật cơ sở

FDMA

Phân chia theo tần

số/mã (FD/CDMA)

Chu kỳ khung

Phân chia theo tần số/thờì gian/mã (FD/TD/CDMA)

Phân chia theo tần số/thời gian (FD/TDMA)

TDMA

Tần số

Mặt phẳng chiếm kênh thời gian-

tần số

B (băng thông

hệ thống)

Thời gian

Phân chia theo thời

gian/mã (TD/CDMA)

CDMA

Hình 1.3. Kết hợp ba dạng đa truy nhập cơ sở thành các dạng đa truy nhập lai ghép

1.3. ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ, FDMA

1.3.1. Nguyên lý FDMA

Trong phương pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B Mhz được

chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được 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

đường xuống hoặc dường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp.

Như vậy FDMA là phương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một

tần số cố định. Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải được phân chia và quy hoạch thống nhất

trên toàn thế giới.

5

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

Hình 1.4. 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 được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu khác nhau. Phương pháp thứ nhất được gọi là ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phương pháp thứ hai được gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex).

Phương pháp thứ nhất được mô tả ở hình 1.5. Trong phương pháp này băng tần dành cho

hệ thống được chia thành hai nửa: một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half

Band). Trong mỗi nửa băng tần người ta bố trí các tần số cho các kênh (xem hình 1.5a) . Trong hình

1.5a các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số được gọi là cặp tần số thu phát

hay song công, một tần số sẽ được sử dụng cho máy phát còn một tần số được sử dụng cho máy

thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát hay song

công. Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng được gọi là khoảng cách

giữa hai kênh lân cận ( x), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu

trên tạp âm cho trước (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho

nhau. Như 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 thường ở đường phát đi từ trạm gốc (hay bộ phát

đáp) xuống trạm đầu cuối (thu ở trạm đầu cuối) được gọi là đường xuống, còn đường phát đi từ

trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) được gọi là đường lên. Khoảng cách giữa hai tần

số đường xuống và đường lên là ∆Y như thấy trên hình vẽ. Trong thông tin di dộng tần số đường

xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp hơn đường 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 đường xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đường lên, chẳng hạn ở các hệ thống

sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn người ta thường sử đụng tần số đường lên cao hơn

đường xuống, ngược lại ở các hệ thống thông tin vệ tinh (như di động chẳng hạn) do trạm mặt đất

nhỏ nên tần số đường lên được sử dụng thấp hơn tần số đường xuống.

6

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đa truy nhập vô tuyến

a) Nửa băng thấp f0 Nửa băng cao

f1 f2 f3 fn-1 fn f’1 f’2 f’3 f’n-1 f’n

x

y

B

b)MS1

f’1f1

Trạm gốc

MS2f’2f2

MS3

Ký hiệu

f’3

f3

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 tâmf’i: Tần số đường xuống fi: Tần số đường lên

Hình 1.5. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD

Trong phương pháp thứ hai (FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhưng phân chia theo thời gian) khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất