Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

trên sơ đồ. Sơ đồ trên gồm hai nhánh: một nhánh đồng pha và một nhánh vuông góc. Trong thí dụ này cùng một đầu vào số liệu điều chế các tín hiệu PN c1(t) và c2(t) ở cả hai nhánh. Tín hiệu DS/SS-QPSK có dạng: S(t) = s1(t)+s2(t)=-Ab(t)c1(t)sin2pfct+q)+Ab(t)c2(t)cos(2pfc+q) = 2 Acos(2pfct+q+g(t)) = (3.14) A = Eb Tb trong đó g(t)= tan-1 c1(t)b(t) c2(t)b(t) = p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=1 3p/4, nếu c1(t)b(t)=1, c2(t)b(t)=-1 5p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=-1 7p/4, nếu c1(t)b(t)=-1, c2(t)b(t)=1 Vậy tín hiệu số s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau: q+p/4, q+3p/4, q+5p/4, q+7p/4. + - 1 hay -1 zi u1(t) u2(t) r2(t) r1(t) s(t-t) c1(t-t) c2(t-t) -Bsin(2pfct+q’) Bcos(2pfct+q’) ò (.)dt ti ti+Tb B = 1/Tb b. Máy thu Hình 3.5. Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS-QPSK s(t-t) = -Ab(t-t)c1(t-t)sin(2pfct+q’)+Ab(t-t)c2(t-t)cos(2pfct+q’) Giả thiết rằng trễ là t, tín hiệu vào sẽ là (nếu bỏ qua tạp âm và bỏ qua suy hao đường truyền): (3.15) (3.16) u1(t)=ABb(t-t)sin2(2pfc+q’)-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t)sin(2pfc+q’)cos2(2pfc+q’) =ABb(t-t) [1-cos(4pfc+2q’)-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t) sin(4pfct+2q’) 1 2 1 2 trong đó q’ = q - 2pfct. Các tín hiệu trước bộ cộng là: trong đó: 1 2 1 2 u2(t)=-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t)sin(2pft+q’)cos(2pf(+q’)+ABb(t-t)cos2(2pf(+q’) =-ABb(t-t)c1(t-t)c2(t-t) sin(4pfct+2q’)+ABb(t-t) [1+cos(4pfct+2q’)] (3.17) B = ± Eb Tổng của các tín hiệu trên được lấy tích phân ở khoảng thời gian một bit. Kết quả cho ta : với dấu + nếu bản tin tương ứng bằng +1 và dấu – nếu bit bản tin tương ứng bằng -1 vì tất cả các thành phần tần số 2fc có giá trị trung bình bằng 0. Vì thế đầu ra bộ so sánh là +1 (hay logic “0”), khi bản tin là +1 và -1 (hay logic “1”) nếu bit bản tin là -1. Giả sử Tc là chu kỳ chip của c1(t) và c2(t). Độ rộng băng của các tín hiệu được điều chế s1(t) và s2(t) của hai nhánh sẽ như nhau và bằng 2/Tc. Lưu ý rằng s1(t) và s2(t) là trực giao và cũng chiếm cùng độ rộng băng tần. Vì thế độ rộng băng tần của s(t) cũng giống như độ rộng băng tần của các tín hiệu s1(t) và s2(t) và bằng 2/Tc. Đối với tốc độ số liệu 1/Tb độ lợi xử lý bằng PG=Tb/Tc (khi coi rằng độ rộng băng tần của các tín hiệu SS bằng 1/Tc). Các hệ thống DS/SS có thể được sử dụng ở các cấu hình khác nhau. Các hệ thống xét trên được sử dụng để phát một tín hiệu có tốc độ bit 1/T (bit/s). PG và độ rộng băng tần bị chiếm bởi tín hiệu DS/SS-QPSK phụ thuộc vào tốc độ chíp của c1(t) và c2(t). Ta cũng có thể sử dụng một hệ thống DS/SS-QPSK để phát hai tín hiệu số 1/Tb (bit/s) bằng cách để mỗi tín hiệu điều chế một nhánh. Một dạng khác ta có thể sử dụng một hệ thống DS/SS-QPSK để phát một tín hiệu số có tốc độ bit gấp đôi: 2/Tb (bit/s) bằng cách chia tín hiệu số thành hai tín hiệu số có tốc độ bit 1/Tb (bit/s) và để chúng điều chế một trong hai nhánh. Tồn tại các nhân tố đặc trưng cho hiệu quả hoạt động của DS/SS-QPSK như: độ rộng băng tần được sử dụng, PG tổng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) (thường được xác định bằng xác suất lỗi). Khi so sánh DS/SS-QPSK với DS/SS-BPSK ta cần giữ một số thông số trên như nhau ở cả hai hệ thống và so sánh các thông số khác. Chẳng hạn một tín hiệu số được phát đi trong hệ thống DS/SS-QPSK chỉ sử dụng độ rộng băng tần bằng một nửa độ rộng băng tần của hệ thống DS/SS-BPSK khi có cùng PG và SNR. Tuy nhiên nếu cùng một số liệu được phát đi bởi một hệ thống DS/SS-QPSK có cùng độ rộng băng tần và PG như hệ thống DS/SSBPSK, thì hệ thống DS/SS-QPSK có ưu việt về tỷ số tín hiệu trên tạp âm dẫn đến xác suất lỗi thấp hơn. Mặt khác một hệ thống DS/SS-QPSK có thể phát gấp hai lần số liệu so với hệ thống DS/SS-BPSK khi sử dụng cùng độ rộng băng tần và có cùng PG và SNR. Ưu điểm của hệ thống DS/SS-QPSK có được là nhờ tính trực giao của các sóng mang sin(2pfct + q) và cos(2pfct + q) trong các nhánh đồng pha và vuông góc. Nhược điểm của hệ thống DS/SS-QPSK là phức tạp hơn hệ thống DS/SS-BPSK. Ngoài ra nếu các sóng mang sử dụng để giải điều chế ở máy thu không thực sự trực giao thì sẽ xảy ra xuyên âm giữa hai nhánh và sẽ gây thêm sự giảm chất lượng của hệ thống. DS/SS-QPSK được sử dụng trong hệ thống thông tin di động IS-95 CDMA và hệ thống định vị toàn cầu (GPS:Global Position-ing System). 2.3.2. Các hệ thống nhảy tần (FH/SS) Dạng hệ thống trải phổ thứ hai là hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS. Hệ thống này có nghĩa là chuyển đổi sóng mang ở một tập hợp các tần số theo mẫu được xác định bằng một chuỗi mã PN. Chuỗi mã này ở đây chỉ có tác dụng xác định mẫu nhảy tần. Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hay chậm hơn tốc độ số liệu. Trong trường hợp thứ nhất gọi là nhảy tần nhanh, trong trường hợp thứ hai gọi là nhảy tần chậm. Ta ký hiệu Th cho thời gian một đoạn nhảy và T là thời gian của một bit số liệu. Điều chế FSK thường được sử dụng cho các hệ thống này. Do việc thay đổi tần số mang nên giải điều chế không nhất thiết phải hợp và vì thế giải điều chế không nhất quán thường được sử dụng. Các hệ thống được trình bày với giả thiết điều chế không nhất quán. 2.3.2.1. Các hệ thống FH/SS nhanh Bộ tạo chuỗi PH Bộ tổng hợp tần số Bộ nhân tần b = 1 BPF băng rộng Bộ tạo chuỗi PH b(t) y(t) s(t) BPF băng rộng f, f+Df Bộ giải điều chế FSK không nhất quán Bộ tổng hợp tần số Bộ tạo chuỗi PN tại chỗ BPF băng rộng s(t) + tạp âm g(t) j bit Đồng bộ chuỗi PN Khôi phục định thời ký hiệu Ra chuỗi cơ số hai = b(t) a) b) Hình 3.6. Sơ đồ cho một hệ thống FH/SS. a) máy phát, b) máy thu Ở hệ thống FH/SS nhanh có ít nhất một lần nhảy ở một bit số liệu, nghĩa là T/Th > 1. Trong khoảng thời gian Th giây của mỗi lần nhảy tần, một trong số J tần số được phát. Khi dịch chuyển theo phương ngang của biểu đồ ta thấy cứ Th giây tần số phát lại thay đổi. ậ sơ đồ trên tốc độ nhảy tần bằng 3 lần tốc độ số liệu. Mặc dù tín hiệu phát ở mỗi bước nhảt là hàm sin có tần số là f0 + iDf, do độ rộng có hạn Th giây, phổ của nó chiếm khoảng 2/Th Hz. Khoảng cách Df thường được chọn bằng 1/Th. Chọn như vậy vì các tín hiệu cos(2pf0t+q),cos[2(pf0+f)t+q],…,cos[2(pf0+(j-1)f)t+qj-1] trực giao ở khoảng giữa, nghĩa là: cos[2p(f0+iDf)t+qi]cos[2(f0+kDf)t+qi]dt = 0, i¹k (3.18) ò Tk 0 Ở các hệ thống không nhất quán, việc sử dụng các hàm trực giao cho hiệu quả tốt hơn (ở ý nghĩa xác suất lỗi bit) là không trực giao. Phương trình trên đúng cho (f = m/Th với m ¹ 0). Để đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần ta cho m = 1. a) Máy phát Ở máy phát, tín hiẹu FSK cơ số hai x(t) trước hết được tạo ra từ luồng số liệu. Trong khoảng thời gian mỗi bit x(t) có một trong hai tấn số f’ và f’+Df, tương ứng với các bit số liệu 0 và 1. Tín hiệu này được trộn với tín hiệu y(t) từ bộ tổng hợp tần số. Cứ mỗi Th giây, tần số của y(t) lại thay đổi theo các giá trị của J bit nhận được từ bộ tạo chuỗi PN. Do có 2j tổ hợp j bit nên ta có thể có tới 2j tần số được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số. Bộ trộn tạo ra tần số của tổng và hiệu, một trong hai tần số trong đoạn nhảy như sau: y(t) = 2Acos[2(fg+ilf)t+q1] với 1Th<t<(l+1)Th (3.19) trong đó il={0,2,...,2(2j-1)} là một số nguyên chẵn, fg là một tần số không đổi và q1 là pha. Giá trị của il được xác định bởi j bit nhận được từ bộ tạo mã chuỗi giả tạp âm. Giả thiết rằng bộ lọc BPF lấy ra tần số tổng ở đầu ra bộ trộn. Khi này tín hiệu ở đầu ra bộlọc BPF trong bước nhảy 1: s(t) =2Acos[2(pf0+il(f+blpf)t+q1] với 1Th<t<(l+1)Th (3.20) s(t) = cos[2(f0 + ilDf + blDf)t + ql]pTh(1 - lTh) å t=-¥ ¥ trong đó bl = {0,1} là giá trị số liệu ở 1Th<t<(l+1)Th và f0 = f’+fg. Ta thấy rằng tần số phát có thể là {f0, f0+Df,...,f0+(J-1) Df}, trong đó J = 2j + 1, để có tổng tần số nhảy là J. Pha Dl có thể thay đổi từ bước nhảy này sang bước nhảy kia. Ta có thể viết tín hiệu FH/SS như sau: (3.21) Bộ nhân tần với mục đích trải rộng thêm băng tần của FH/SS. Lúc này tín hiệu FH/SS thành: s’(t) = 2Acos[2(f0 +ilDf + blDf)t + Dl] với lTh<t<(1+l)Th (3.22) b). Độ rộng băng tần Tần số của tín hiệu FH/SS không thay đổi trong đoạn nhảy. Trong toàn bộ khoảng thời gian, tín hiệu phát nhảy ở tất cả J tần số, vì vậy nó chiếm độ rộng băng tần là: BFFH » JDf (Hz) PG = Độ rộng băng tần tín hiệu 2(Độ rộng băng gốc bản tin) Độ lợi xử lý được tính: JT 2Th JDf 2 T = PG = (3.33) bJDfT 2 bJT 2Th = Giả thiết phân cách tần số bằng 1/Th. Nếu ta sử dụng bộ nhân tần có thừa số là T, thì phổ của tín hiệu FH/SS mở rộng JT lần. Vì thế độ rộng băng tần tổng hợp của tín hiệu FH/SS là JDf Hz và PG là: c). Máy thu Tín hiệu thu trước hết được lọc bằng một bộ lọc BPF có độ rộng băng bằng độ rộng băng của tín hiệu FH/SS. Chúng ta không cần khôi phục sóng mang vì ta sử dụng giải điều chế không nhất quán. Sở dĩ ta không dùng giải điều chế nhất quán vì ở tốc độ nhảy tần nhanh máy thu rất khó theo dõi được pha của sóng mang khi pha này thay đổi ở mỗi đoạn nhảy. Bộ tạo chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, ở đoạn nhảy 1 đầu ra của bộ tổng hợp tần số là: (3.34) g(t) = cos[2(Dfg+ iDf)t +i’l] với 1Th<t<(1+)Th g(t)s(t) = Acos[2p (fg + ilDf)t +ql ]cos[2p (f0 + ilDf + blDf)t +ql] Bỏ qua tạp âm, đầu vào BPF là: (3.35) với 1Th<t<(1+l)Th Thành phần tần số cao bị bộ lọc BPF băng hẹp loại bỏ và chỉ còn thành phần tần số thấp. Ký hiệu f0 = fg + f’. Vậy đầu vào bộ giải điều chế FSK là: (3.36) w(t) = 0,5Acos(2pf’t + (1+f’l), nếu bl=0 (3.37) w(t) = 0,5Acos(2p(f + f’t + (1+f’l)), nếu bl=1 Đầu này chứa hoặc tần số f’ Hz hoặc f’ + Df Hz. Vì bl không đổi trong thời gian của một bit nên trong khoảng thời gian này tín hiệu w(t) có tần số không đổi. Như vậy trong khoảng thời gian T giây bộ giải điều chế FSK tách ra tần số này và tạo ra mức logic “0” và “1”. Một cách khác ta có thể tách ra tần số chứa trong w(t) cho từng đoạn nhảy để nhận được T/Th các giá trị cho từng bước nhảy. Từ giá trị T/Th, sử dụng nguyên tắc đa số để quyết định bit dữ liệu là “0” hay “1”. d). Tốc độ đồng hồ cho các hệ thống FH/SS nhanh Một ưu điểm của hệ thống FH/ss so với hệ thống DS/SS là tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi PN không cần cao như ở DS/SS để đạt được cùng độ rộng băng tần. Ở hệ thống DS/SS tốc độ đồng hồ ở bộ tạo chuỗi PN bằng tốc độ chip 1/Tc, và độ rộng là 2/Tc Hz. ở hệ thống FH/SS nhanh ra cần j bit mới từ bộ tạo chuỗi PN cho mỗi đoạn nhảy. Vì thế bộ tạo chuỗi phải tạo ra j bit trong Th giây nghĩa là tốc độ đồng hồ là j/Th Hz. Độ rộng băng đối với điều chế trực giao là 2j+1Df = 2j+1/Th. Cân bằng đô rộng băng tần cho hai hệ thống ta được: 2 Tc 2j+1 Th = 1/Tc j/Th = 2j j Tỷ số này sẽ rất lớn shơn 1 đối với giá trị j thực tế. Do đó tốc độ đồng hồ ở hệ thống FH/SS nhỏ hơn nhiều so với hệ thống DS/SS. 2.3.2.2. Các hệ thống FH/SS chậm Khi T/Th <1 ta được hệ thống nhảy tần chậm. Sơ đồ máy phát, máy thu tương tự như ở hệ thống FH/SS nhanh. Hệ thống FH/SS chậm với T/Th=1/2 nghĩa là một lần nhảy tần ở hai bit, ở mỗi lần nhảy số liệu thay đổi giữa “0” “1”. Vì tần số phát có thể thay đổi T giây một lần nên để điều chế trực giao khoảng cách tần số phải là Df=m/T, trong đo m nguyên khác 0. Nếu m=1, bộ tổng hợp tần số tạo ra 2j tần số, độ rộng băng tần là JDf=J/T Hz, J=2j+1. Độ lợi xử lý là J/2. Khi sử dụng bộ nhân tần (ở máy phát, phân cách tần số ở đầu ra cuối cúng trơ thành Df và PG bằng DJ/2. 2.3.3. Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS) Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã và đạt đựơc 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS. tạo mã Bộ phát xung điều chế cổng 1 Thông tin đầu vào tạo mã Cổng 0 Tách xung Tách xung Tách xung Thông tin đầu ra Hình 3.7. Hệ thống TH đơn giản Hình trên là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS. Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạnh sóng cho phép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS. TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh theo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ thống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát. Mã hoá nên được sử dụng một cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác. Do hệ thống TH/SS có thể bị ảnh hưởng dễ dàng bởi giao thoa nên sử dụng hệ thống tổ hợp giữa hệ thống này với hệ thống FH/SS để loại trừ giao thoa có khả năng gây nên suy giảm lớn đối với tần số đơn. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 3.1. Điều khiển công suất 3.1.1. Sự cần thiết của điều khiển công suất CDMA là một hệ thống bị hạn chế của nhiễu giao thoa, vì tất cả MS đều phát ở cùng tần số. Nhiễu giao thoa trong mạng đóng vai trò rất quan trọng để xác định dung lượng hệ thống và chất lượng thoại. Công suất phát từ mỗi MS phải được điều khiển để hạn chế nhiễu giao thoa. Tuy nhiên mức công suất phải phù hợp để thoả mãn chất lượng thoại. Khi MS chuyển động, môi trường vô tuyến thay đổi liên tục do pha đinh nhanh và chậm, che tối, nhiễu ngoài và các yếu tố khác. Mục tiêu của điều khiển công suất là giới hạn công suất phát trên đường lên và đường xuống trong khi vẫn duy trì chất lượng đường truyền ở mọi điều kiện. DO tách sóng không nhất quán ở BS, nhiễu giao thoa ở đường lên nguy hiểm hơn ở đường xuống. Vì thế điều khiển công suất đường lên là quan trọng đối với hệ thống CDMA và bắt buộc ở IS-95. Điều khiển công suất cũng cần có trong các hệ thống CDMA để giải quyết hiệu ứng gần xa. Để giảm thiểu hiệu ứng gần xa, mục đích của hệ thống CDMA đảm bảo rằng tất cả các MS đạt được cùng công suất thu tại các BS. Giá trị đích của công suất thu phải là mức tối thiểu còn cho phép đường truyền đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng do người sử dụng định nghĩa (BER, FER, dung lượng, tốc độ rớt cuộc gọi và vùng phủ). Để thực hiện chiến lược như vậy, các MS gần BS hơn phải phát sóng thấp hơn các MS xa BS. Chất lượng thoại liên quan đến tỷ lệ lỗi khung (FER) ở cả đường xuống và đường lên. FER liên quan mật thiết với Eb/It. FER cũng phụ thuộc vào tốc độ ô tô, điều kiện truyền sóng địa phương và phân bố của các MS đồng kênh khác. Vì FER là số đo trực tiếp của chất lượng tín hiệu, chất lượng thoại ở hệ thống CDMA được đo theo FER chứ không theo Eb/It. Vậy để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt, chỉ duy trì Eb/It đích thì chưa đủ, mà còn phải áp dụng cả FER. Giới hạn chất lượng theo khuyến nghị là: · Dải FER thông thường: 0,2% đến 3% (mức công suất tối ưu đạt được khi FER £ 1%). · Độ dài cực đại của cụm lỗi: 3 đến 4 khung (giá trị tối ưu của cụm lỗi đạt = 2 khung). 3.1.2. Điều khiển công suất đường lên Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tỏn hao đường truyền lớn. Điều khiển công suất đường lên gồm điều khiển công suất vòng hở (cong gọi là điều khiển công suất tự quản) và điều khiển công suất vòng kín. Điều khiển công suất vòng kín gồm điều khiển công suất trong và điều khiển công suất vòng ngoài. 3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở Quá trình điều khiển công suất vòng hở như sau: a. Bản tin thông số truy nhập Sau khi trạm di động đã bật nguồn, nó liên lạc với hệ thống bằng cách thu và sử dụng kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ và kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi cung cấp bản tin thông số truy nhập trong đó định nghĩa các thông số mà trạm di động cần sử dụng khi phát kênh truy nhập đến trạm gốc. Các kênh truy nhập bao gồm: Số kênh truy nhập. Độ dịch công suất danh định (NOM_PWR). Độ dịch công suất ban đầu (INT_PWR). Kích cỡ nấc tăng công suất. Số thăm dò công suất trên một chuỗi thăm dò truy nhập. Cửa sổ thời gian thăm dò giữa hai thăm dò truyn nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hoá giữa hai thăm dò truy nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hoá giữa hai chuỗi thăm dò. b. Trạng thái truy nhập Trong khi ở trạng thái truy nhập trạm di động vẫn chưa được ấn định một kênh lưu lượng nên chưa có điều khiển vòng kín. Khi này bản thân trạm di động khởi tạo một điều chỉnh công suất bất k cho phù hợp với hoạt động của mình. Tuy nhiên từ các thông tin nhận được ở các kênh hoa tiêu, đồng bộ, tìm gọi bây giờ trạm di động có thể thử truy nhập hệ thống qua một trong số vài kênh truy nhập hiện có. Cần nhớ rằng mục đích hàng đầu hệ thống CDMA là chỉ phát đủ công suất để đáp ứng được chất lượng cần thiết, vì nếu phát công suất hơn mức cần thiết thì trạm di động sẽ gây thêm nhiễu cho các người sử dụng khác trong cùng kênh CDMA. c. Các quy tắc quan trọng của thủ tục truy nhập Trạm di động truy nhập vào hệ thống và thử phát một công suất rất nhỏ đến trạm gốc. Quy tắc chính là trạm di động phải phát công suất tỷ lệ nghịch với với công suất mà nó thu được. å Khi thu được một hoa tiêu mạnh từ trạm gốc, trạm di động phát đi một tín hiệu yếu. Vì một tín hiệu thu mạnh trại trạm di động có nghĩa là suy hao đường truyền xuống thấp. Như vậy nếu coi rắng suy hao đường truyền lên cũng như vậy thì cần phát đi một công suất thấp. å Khi thu được một hoa tiêu yếu từ gốc, thì trạm di động phát đi một tín hiệu mạnh. Vì một tín hiệu thu yếu tại trạm di động có nghĩa là suy hao đường truyền xuống lớn. Như vậy nếu coi rằng suy hao đường truyền lên cũng như vậy, thì trạm di động cần phát đi công suất cao để bù trừ tổn hao đướngf truyền. Quy tắc quan trọng này được thể hiện ở hình sau: Trung bình Dung sai 73 73 Tx(dBm) Rx(dBm) Qui tắc: -Thu lớn, phát nhỏ -Thu nhỏ, phát lớn Hình 3.1. Quy tắc điều khiển công suất Trạm di động sẽ phát thăm dò đầu tiên ở công suất trung bình được xác định theo công thức sau: Tx=-Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_OWWR_EXT)+INT_PWR, dBm (3.1) trong đó: Tx: công suất phát trung bình (dBm). Rx: công suất thu trung bình (dBm). NOM_PWR: điều chỉnh danh định (trong dải -8 đến +7dB). NOM_PWR_EXT: công suất danh định cho chuyển giao mở rộng (dB). INT_PWR: điều chỉnh ban đầu (trong dải -16 đến +16 dB). k=72 dB cho tổ ong (băng loại 0). k=76 dB cho PCS (băng loại 1). d. Các bước thăm dò công suất Nếu trạm gốc không công nhận hay trả lời thử truy nhập thì sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên trạm di động sẽ phát công suất cao hơn. Sau đó nếu vẫn chưa được trả lời nó lại thử lại với công suất lớn hơn và quá trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt được trả lời từ trạm gốc (hình 3.2). Mỗi bước tăng công suất Pi được gọi là một điều chỉnh công suất vòng hở. Lúc đó công suất phát của trạm di động được xác định như sau: Tx= -Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT)+INT_PWR +(Tổng công suất của các lần hiệu chỉnh thăm dò truy nhập) (3.2) Tx Hiệu chỉnh vòng hở Thăm dò truy nhập Công suất khởi đầu Công suất khởi đầu +hiệu chỉnh vòng hở Hình 3.2. Các nấc hiệu chỉnh thăm dò truy nhập Thời gian trễ lùi (Back-off Delay) được tạo ra ngẫu nhiên giữa các chuỗi thăm dò truy nhập. Định thời giữa các thăm dò truy nhập của một chuỗi thăm dò truy nhập thâm cũng được tạo ra ngẫu nhiên. Sau khi phát một thăm dò truy nhập, MS đợi TA. Nếu thu được công nhận, nó kết thúc thử truy nhập. Nếu không thu đượ công nhận, thăm dò tiếp theo được phát sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên(RT). Nếu MS không thu được công nhận trong một lần thử truy nhập, lần thử này coi như thất bại và MS tiến hành thử lần khác. Nếu MS nhận được công nhận từ BS, đăng ký và các thủ tục ấn định kênh lưu lượng được tiến hành. Truyền dẫn khởi đầu trên kênh lưu lượng đườn lên sẽ ở công suất trung bình. MS hỗ trợ toàn dải kết hợp các thông số dịch ban đầu, NOM_PWR và các hiệu chỉnh thăm dò truy nhập ít nhất là ±32 dB cho MS hoạt động ở băng loại 0 và ±40 dB cho MS hoạt động ở băng loại 1. Các nguồn sai số ở điều khiển vòng kín là: Giả thiết tính đảo lẫn của đường lên và đường xuống. Sử dụng tổng công suất thu được ở cả công suất từ các trạm BS khác. Thời gian phản ứng đối với pha đinh nhanh do nhiều đường truyền chậm: 30ms. 3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín Các nguồn pha đinh do nhiều đường truyền đòi hỏi điều chỉnh công suất phải nhanh hơn nhiều so với điều chỉnh công suất vòng hở. Các điều chỉnh công suất bổ sung để bù trừ tổn hao pha đinh được xử lý bởi cơ chế điều chỉnh công suất vòng kín đường lên với thời gian phản ứng là 1,25 ms cho các bước 1 dB và dải rộng 48 dB (trong 3 khung). Thời gian phản ứng nhanh hơn cho phép cơ chế điều khiển công suất vòg kín vượt trội cơ chế điều khiển không công suất vòng hở trong các ứng dụng thực tế. Ngoài cả hai cơ chế điều khiển công suất cho phép đạt được dải động ít nhất 80 dB. Điều khiển công suất vòng kín đảm bảo hiệu chỉnh cho điều khiển công suất vòng hở. Sau khi đã khởi động các kênh lưu lượng, mỗi khi thu được bit điều khiển công suất trong kênh con điều khiển công suất (được ghép chung với kênh lưu lượng) bằng 1, trạm di động giảm công suất một bước định trứơc (1 dB). Ngược lại nếu thu được bit điều khiển công suất bằng “0” trạm di động tăng công suất lên một bước định trứơc (1 dB). Các lần điều chỉnh công suất này được gọi là hiệu chỉnh công suất vòng kín, vì quyết định tăng hay giảm công suất được thực hiện trên cơ sở đánh giá công suất thu được tại trạm gốc. Cơ chế điều khiển công suất vòng kín đường lên bao gồm hai phần; điều khiển công suất vòng trong và điều khiển công suất vòng ngoài. Điều khiển công suất vòng trong giữ cho MS gấn nhất với (Eb/It)setpoint đích (setpoint: điểm đặt ngưỡng), trong khi đó điều khiển công suất vòng ngoài điều chỉnh (Eb/It)setpoint đích đối với một MS. Để hiểu đươc hoạt động của điều chỉnh công suất vòngkín, ta xét tổng quan cấu trúc của kênh lưu lượng đường cuống và hoạt động của nó. Vùng quan tâm ở đây là đầu ra của bộ ghép xen và đầu vào của MUX. Kênh con điều khiển công suất được phát liên tục trên kênh lưu lượng đường xuống. Kênh con này có tốc độ là 800 bit điều khiển công suất trên giây. Vì thế bit điều khiển công suất được phát xuống cứ 1,25 ms một lần. Khung 20 ms được tổ chức thành 16 đoạn thời gian có độ dài như nhau bằng 1,25 ms và được gọi là các nhóm điều khiển công suất (PCG: Power Control Group) (hình 3.3). Như vậy mỗi khung có 16 PCG. Trước khi phát, luồng số đầu ra của bộ ghép xen kênh lưu lượng đường xuống được tắt bật bằng một bộ lọc thời gian. Bộ lọc thời gian này cho phép truyền dẫn một số ký hiệu và xoá các ký hiệu khác. Chu kỳ bật (mở cổng) thay đổi cùng với tốc độ bit truyền dẫn (phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của bộ mã hoá tiếng và tích cực tiếng). Tốc độ khung Tốc độ bit (kbit/s) SốPCG Toàn tốc 9,6 16 1/2 4,8 8 1/4 2,4 4 1/8 1,2 2 Một khung (20 ms)=16 PCG 1 PCG PCG=nhóm điều khiển công suất PCG được bật PCG bị bật Hình 3.3. Các nhóm điều khiển công suất Các nhóm điều khiển công suất phụ thuộc vào tốc độ khung Việc ấn định các nhóm được bật và các nhóm bị bật tắt phụ thuộc vào Bộ ngẫu nhiên hoá cụm số liệu (DBR: Data Burst Randomizer). Tại BS, máy thu đường lên đánh giá cường độ tín hiệu thu bằng cách đo Eb/Tt trong mỗi nhóm điều khiển công suất (1,25 ms). Nếu cường độ tín hiệu vượt quá giá trị đích, bit điều khiển công suất giảm bằng 1 được phát. Trái lại bit điều khiển công suất tăng bằng 0 được phát đến MS qua kênh con điều khiển công suất trên kênh lưu lượng đường xuống. Tương tự như truyền dẫn đường lên, truyền dẫn đường xuống cũng được tổ chức thành các khung 20 ms. Mỗi khung được chia thành 16 nhóm điều khiển công suất. Phát bit điều khiển công xuất được thực hiện trên kênh lưu lượng đường xuống trong PCG thứ hai đi sau PCG đường lên mà tại đó cường độ tín hiệu được đánh giá. Chẳng hạn nếu cường độ tín hiệu được đánh giá ở PCH 2 của một khung đường lên, thi bit điều khiển công suất tương ứng phải được phát ở PCH 4 của khung đường xuống (hình 3.4). Khi MS thu và xử lý kênh đường xuống, nó lấy ra các bit điều khiển công suất từ kênh lưu lượng này. Sau đó các bit điều khiển công suất cho phép MS điều chỉnh công suất phát đường lên. Khung đường lên 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Khung đường xuống Khung đường lên Hình 3.4. Vị trí PCG ở các khung đường lên và đường xuống Trên cơ sở bit điều khiển công suất thu được từ BS, MS hoặc tăng hoặc giảm công suất phát ở kênh lưu lượng đường lên để đạt được giá trị tại điểm thiết lập của (Eb/It)setpoint đích, giá trị này điều chỉnh FER dài hạn. Mỗi bit điều khiển công suất này tạo ra thay đổi 1 dB gần hơn đến giá trị đích. Lưu ý rằng có thể không thành công vì It luôn luôn thay đổi. Vì thế phải điều chỉnh tiếp để đạt được Eb/It theo yêu cầu. Thông qua MS, BS có thể trực tiếp thay đổi chỉ Eb, không thay đổi It nhưng mục đích ở đây là tỷ số Eb và It chứ không phải chỉ Eb hoặc It riêng rẽ. Công suất phát trung bình ở kênh lưu lượng đường lên với cả điều khiển công suất vòng hở và vòng kín được xác định như sau: Tx= -Rx-k+(NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT) +INT_PWR + Tổng công suất của các lần hiệu chỉnh thăm dò truy nhập + Tổng tất cả các hiệu chỉnh điều khiển công suất vòng kín (3.3) 3.1.3. Điều khiển công suất đường xuống Điều khiển công suất đường xuống (FLPC: Forward Link Power Control) nhằm giảm nhiễu giao thoa đường xuống. FLPC không chỉ hạn chế ở nhiễu trong ô mà đặc biệt hiệu quả trong việc giảm nhiễu ô khác nhau hoặc cùng ô khác… Hệ thống CDMA IS-95 cò thể điều khiển công suất đường xuống dựa trên báo cáo về tỷ lệ lỗi từ trạm di động. Để thực hiện điều khiển công suất ở đường xuống, trạm gốc định kỳ giảm công suất phát đền trạm di động. Việc giảm công suất này tiếp diễn đến khi trạm di động yêu cầu tăng công suất do nhận thấy sự tăng tỷ số lỗi khung (FER: Frame Error Rate). Lúc đó, trạm gốc sẽ tăng công suất một bước quy định trước (0,5 dB chẳng hạn). Tăng/giảm công suất được thực hiện một lần ở một khung thoại (15-20 ms). Như vậy điều khiển công suất ở đường xuống chậm hơn ở đường lên (lệnh điều khiển công suất đường lên trong CDMA IS-95 được phát đi 1,25 ms một lần). Vì được đo (không phải Eb/It như ở điều khiển công suất vòng kín), nên quá trình này trực tiếp phản ảnh chất lượng thoại. Tuy nhiên quá trình này chậm hơn nhiều. Vì các mã trực giao Walsh được sử dụng cho đường xuống, nên nhiễu giao thoa không phải là vấn đề khẩn cấp. Vì thế đo chậm không làm tăng đáng kể giảm chất lượng hệ thống. Công suất được biểu diễn ở các thông số N, D, U và V, các thông số này có thể được điều chỉnh đến các giá trị khác nhau cho hoạt động của một hệ thống thực tế. Đối với RS1, bản tin báo cáo đo công suất (PMRM) chứa các khung thu được bị lỗi và tổng các khung thu được trong khoảng thời gian báo cáo (sau đó các bộ đếm khung được khởi đầu cho khoảng thời gian đo tiếp theo). FER bằng số khung lỗi chia cho tổng số số khung thu trong khoảng thời gian báo cáo. Các bước cho điều khiển công suất đối với RS1 như sau: N khung FER quá cao fer_small<FER<fer_big D(dB) U(dB) V(dB) Không thu được PMRM Các thông số quan trọng N=80 khung D=0,25 dB U=1,0 dB V=2,0 dB Thời gian FER<fer_small Khuyếch đại số kênh lưu lượng Hình 3.5. Điều khiển công suất đường xuống RS1 Hành động của MS å Theo dõi số khung lỗi trong khoảng thời gian bằng pwr_rep_frame å Nếu số khung lỗi>số quy định, MS phát PMRM chứa: - Tổng số khung trong pwr_rep_frame - Số khung lỗi trong pwr_rep_frame FER å Nếu các khung lỗi < số quy định, PMRM không được phát å Sau khi phát PMRM, MS đợi trong khoảng pwr_rep_delay trước khi khởi đầu một chu kỳ mới. Hành động của BS å Khi thu được PMRM, BS so sánh FER được báo cáo và điều chỉnh công suất. - FER<fer_small: giảm công suất một lượng là D - fer_small< FER<fer_big: tăng công suất một lượng là U - FER> fer_big: tăng công suất một lượng V å Nếu không nhận được PMRM: - BS bắt đầu định thời fpc_step - Khi định thời chạy hết, công suất giảm một lượng là D - Định thời khởi động lại sau khi chạy hết và sau khi thu được PMRM å Khuyếch đại số không bao giờ được đặt thấp hơn min_gain hay cao hơn max_gain. å Nếu fpc_enable=0, khuyếch đại số đặt vào nom_gain. Đối với RS2, 1 bit trên khung đường lên (E hat bit xoá) được dành riêng để thông báo BS rằng khung đường xuống mới nhất thu được ở MS không bị lỗi. Điều này cho phép điều khiển đường xuống chính xác và nhanh hơn so với sơ đồ sử dụng cho RS1. Khuyếch đại số kênh lưu lượng Thu được khung lưu lượng tốt với bit xoá 1 20 ms dow_adj Khung lưu lượng thu tốt với bit xoá không up_adj Hình 3.6. Điều khiển công suất đường xuống RS2 Điều khiển công suất đường xuống cho RS2 å Sử dụng chỉ thị xoá bit thay cho PMRM. å Nhanh hơn RS1 rất nhiều - Điều khiển công suất đường xuống có thể thay đổi 2 khung một lần như vậy phản ứng của nó rất nhanh. å Quá trình - Trong mỗi khung, MS phát một bit chỉ thị xoá để chỉ ra rằng khung đường xuống trước có bit xóa hay không. - Nếu BS nhận được chỉ thị xoá từ MS, nó tăng khuyếch đại số kênh lưu lượng lên một lượng là dn_adj. 3.2. Tính toán dung lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA Dung lượng mạng vô tuyến là số người dùng trong cell. Dung lượng cung cấp tỉ lể với bề rộng phổ cỏ thể sử dụng. Giao diện vô tuyến sử dụng hiệu quả phổ sẽ đảm bảo một dung lượng lớn. Trong các hệ thống AMPS hoặc TDMA, tắc nghẽn xảy ra khi các kênh vật lý được dùng hết. Trong hệ thống CDMA tất cả người dùng có chung phổ băng rộng, nên người dùng còn được phục vụ chừng nào còn kênh lưu lượng ở trạm gốc. Thêm thuê bao truy cập sẽ làm tăng mức can nhiễu và ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống. Dung lượng không chỉ phụ thuộc vào số kênh vật lý mà còn bị giới hạn bởi can nhiễu tổng thể. Để đạt được cực đại dung lượng phải tối thiểu can nhiễu tổng. Vậy điều chỉnh công suất là điều khiển dung lượng. Trong hệ thống CDMA tắc nghẽn xảy ra khi mật độ can nhiễu tổng đạt đến mức cho trứơc so với mức tạp âm nền, đó là điều kiện tắc nghẽn mềm. Các hệ thống CDMA thường được coi là có dung lượng cao hơn so với các hệ thống FDMA và TDMA vì ở các hệ thống này hệ số tái sử dụng tần số bằng 1, nghĩa là các trạm gốc cạnh tranh nhau có thể sử dụng cùng một băng tần. Tuy nhiên nhiễu giao thoa đồng kênh là một trở ngại ở các mạng CDMA, nhiễu này thường được gọi là nhiễu giao thoa đa thâm nhập (MAI-Multiple Access Interference) hay nhiễu giao thoa đa người sử dụng (MUI- Multiple User Interference). Tái sử dụng tần số cùng với một thừa số tái sử dụng phù hợp là một biện pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề về nhiễu đồng kênh trong các hệ thống FDMA và TDMA. Tuy nhiên việc tái sử dụng tần số không phải là giải pháp thích hợp trong các hệ thống CDMA. Ở các hệ thống này điều khiển công suất chính xác và phân tập các đường truyền sử dụng để chống lại các ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh từ nhiều người sử dụng khác thậm chí ở một ô đơn. Trong hệ thống CDMA để tăng dung lượng đường xuống ta có thể sử dụng các kỹ thuật như phát không liên tục dựa vào sự tích cực thoại và phân đoạn ô. Nếu thời gian tích cực thoại là 40% thì về mặt lý thuyết có thể đạt được thừa số cait thiện là 2,5. Phân đoạn một ô thành 3 ô cũng đảm bảo thừa số cải thiện là 3 khi anten định hướng lý tưởng, trong thực tế thì hệ số này là 2,55. Ở hệ thống CDMA tất cả các kênh lưu lượng đều cùng chung một kênh vô tuyến, vì thế tín hiệu mạnh thu được ở các trạm di động gần sẽ che khuất tín hiệu từ các trạm di động xa. Do đó việc điều khiển công suất áp dụng cho đường lên sẽ giảm nhiều giao thoa gây ra do hiện tượng gần xa nói trên. Nếu xét đến ảnh hưởng của nhiễu giao thoa gây ra do các người sử dụng ở các ô khác thì ta phải xét thêm một thừa số tái ử dụng tần số F. Các tính toán cho thấy tính toán dung lượng đường lên lớn hơn rất nhiều so với tính toán dung lượng đường xuống do đó khi tính toán dung lượng của hệ thống CDMA ta phải tính theo dung lượng đường xuống. 3.2.1. Dung lượng cực đường truyền hướng lên (Reverse Link Pole Capacity) Trong các hệ thống số, năng lượng mỗi bit Eb cần đạt mức cao hơn mật độ nhiễu tổng Io để có thể nhận đúng bit đã truyền P R Eb= (2.1) P là công suất tín hiệu nhận được ở anten trạm gốc R là tốc độ bit dữ liệu Giả thiết rằng +Điều khiển công suất là hoàn hảo +Thuê bao di động phát công suất đủ lớn +Phân bố thuê bao là đều có N người sử dụng +W bề rộng băng tần của kênh Mật độ năng lượng nhiễu tổng như sau : (N-1)P W Từ (2.1) ta có: (2.2) I0 = P R (N-1)P W = W R (N - 1) Eb I0 = (2.3) Giả sử đối với N: (2.4) (N - 1) = W R Eb I0 » N Phương trình (2.4) là gần đúng bậc nhất. Dung lượng N còn bị ảnh hưởng bởi: nhiễu từ các cell khác, sự tích cực tiếng, tạp âm nhiệt. r(N - 1)P(1 + f) + N0 W I0 + N0 = (2.5) Trong đó: f là tỷ số năng lượng nhiễu từ các cell khác với cell xét r là hệ số trung bình tích cực tiếng N0 là tạp âm nhiệt Eb N0+I0 P R W R r(N-1)P(1+f) W + N0 = = r(N-1)P(1+f) N0W + 1 P N0W Từ (2.5) biểu thức (2.3) được viết lại như sau: (2.6) Dung lượng cực là dung lượng cực đại có thể đạt được trong những điều kiện đã cho. Với khái niệm này công suất P là vô cùng lớn hơn tạp âm nhiệt. P W Eb N0 + I0 (2.7) = r(N-1)(1+f)P N0W + 1 P N0W P N0W Eb N0 + I0 P W 1 - Eb N0 + I0 P W r(N – 1)(1 + f) = (2.8) Vậy dung lượng cực tương ứng với vế phải (2.8) vô cùng lớn, nghĩa là mẫu số bằng 0: Eb N0 + I0 R W r(N – 1)(1 + f) = 1 (2.9) W R r(1 + f) Eb N0 + I0 N – 1 = » N (2.10) Giải ra đối với N ta có: Để tính toán dung lượng N một cách chính xác hơn, ta đưa vào 2 thông số sau: thông số kể đến sự không hoàn hảo của điều khiển công suất và thống số biểu thị can nhiễu giữa các dải quạt ở cùng một mặt bằng BTS. Ta có phương trình về dung lượng cực hướng lên của thông tin di động CDMA W R E’b N’0 + I’0 1 1 + f 1 r Gs N = (2.11) Với W/R là tăng ích xử lý E’b N’0 + I’0 là tỷ số Eb N0 + I0 trong điều kiện điều khiển công suất không hoàn hảo Gs là tăng ích dải quạt hoá. (bse)2 2 Cụ thể là: e Eb N0 + I0 = E’b N’0 + I’0 (2.12) Eb N0 + I0 Với là tỷ số tín hiệu/ nhiễu + tạp âm cần thiết trong điều kiện ly tưởng về điều khiển công suất. e phương sai điều khiển công suất hằng số có gía trị 0,1 ln10 Ta có thể dùng thông số F thay cho f F = Can nhiễu trong cell xét Can nhiễu trong và ngoài cell xét = (2.13) 1 1 + f Khi đó (2.11) trở thành: 1 r W R (2.14) Gs F E’b N’0 + I’0 N = Ví dụ: W=1228800 Hz R=14400 bit/s Eb N0 + I0 = 6,5 dB s = 2,5 b = 0,1ln10 f=0,7 r = 0,4 Gs =2,4/3 (3 dải quạt 1200) E’b N’0 + I’0 = 10 6,5 10 e (0,23.2,5)2 2 = 5,27 = 7,22 dB (2.15) Dung lượng cực hướng lên N = 1228800 14400 7,22 10 10 1 1 + 0,7 1 0,4 2,4 3 » 19 (2.16) Kết quả trên ứng với GOS=2%, cho biết mỗi dải quạt tối đa đạt 19 người (12,3 erlang), toàn mặt bằng BTS phục vụ 19x3=57 người dùng tối đa. Nếu f=0 (cell cô lập) thì N=32 (2.11) Dung lượng cực là dung lượng lý thuyết, khi thiết kế không được vượt quá 75% dung lượng cực, có nghĩa là trên thực tế một dải quạt không quá 14 người (8,2 erlang) tính cho hướng lên. Ta có các quan hệ được biểu diễn trong (2.11): +Dung lượng cực hướng lên càng lướn nếu tốc độ dữ liệu thoại càng thấp. +Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu hạ thấp yêu cầu về E0/N0+I0. +Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu giảm nhỏ tích cực thoại. +Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tỉ lệ can nhiễu ngoài cell so với trong cell càng giảm. +Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu tăng ích giải quạt hoá càng tăng. +Dung lượng cực hướng lên càng lớn nếu điều khiển công suất càng hoàn hảo. 3.1.1.1. Tốc độ mã hoá thoại 0,0 10,0 20,0 30,0 9,6 Kb 14,4 Kb 70,0 60,0 50,0 40,0 Số lượg người sử dụng Giá trị trung bình [dB] Eb N0+I0 Eb N0+I0 Hình 3.5. Ảnh hưởng của tỷ số đối với dung lượng Dung lượng sóng mang CDMA phụ thuộc vào tốc độ mã hoá thoại của Vocoder được sử dụng (2.11) chứng tỏ quan hệ tỷ lệ nghịch. Các đồ thị tương ứng: +Tốc độ nhóm 1 là 9600 bit/s của Vocoder 8 Kbit. +Tốc độ nhóm 2 là 14400 bit/s của Vocoder 13 Kbit. 3.1.1.2. Tích cực thoại 0,0 5,0 10,0 15,0 9,6 Kb 14,4 Kb 35,0 30,0 25,0 20,0 Số lượg người sử dụng 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Tích cực thoại Hình 3.6. ảnh hưởng của tích cực thoại đối với dung lượng Nếu tích cực thoại càng thấp thì nhờ bộ mã hoá thoại tốc độ khả biến, mà tốc độ dữ liệu thoại và công suất phát có thể giảm nhỏ, tương ứng giảm can nhiễu chung. Khi tích cực thoại tăng thì số người dùng giảm. 3.1.1.3. Can nhiễu Hình dưới cho biết: nếu tỉ lệ nhiễu ngoài cell so với nhiễu trong cell càng tăng thì dung lượng càng giảm. 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Số lượng người dùng 9,6 Kb 14,4 Kb f Hình 3.7. ảnh hưởng của nhiễu các cell khác đối với dung lượng 3.1.1.4. Tăng ích dải quạt 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 9,6 Kb 14,4 Kb Số lượng người dùng Tăng ích dải quạt Hình 3.8. Ảnh hưởng của tăng ích dải quạt đối với dung lượng Tăng ích dải quạt hoá là thông số chính về mức can nhiễu lên cho các dải quạt khác cho dải quạt đang xét. Gọi là tăng ích dải quạt hoá vì việc dải quạt hoá làm tăng số người sử dụng so với Ommi, Khi số dải quạt trong một mặt bằng tăng lên thì mỗi dải quạt nhỏ đi làm giảm can nhiễu mỗi dải quạt gây ra cho dải quạt khác, nhưng số dải quạt gây nhiễu cho dải quạt xét lại tăng lên. Hình 3.8 trình bày cho trường hợp mặt bằng có ba dải quạt và tăng ích dải quạt hoá tính cho cả mặt bằng là 0,8 x 3 = 2,4. 3.1.1.5. Điều khiển công suất chính xác Sai số điều khiển công suất được xem là gần đúng logarit, điều khiển tốc độ thấp chống lại pha đinh chậm có hiệu quả. Nhưng điều khiển tốc độ cao không giải quyết được pha đinh nhanh, lúc này kỹ thuật cài xen tỏ ra ưu thế hơn. 3.1.1.6. Phân tích tắc nghẽn (phương pháp truyền thống) Trong các hệ thống thông tin di động FDMA, TDMA người dùng được cấp phát kênh tài nguyên khi nào kênh còn. Với lưu lượng muốn truyền ta dùng mô hình erlang B để xác định số kênh cần thiết tương ứng với GOS cho trước. Mô hình erlang B là mô hình dịch vụ không có xếp hàng, mọi cuộc gọi tắc nghẽn đều bị huỷ bỏ. Tải lưu lượng bằng tích số giữa số cuộc gọi tổng 1 giờ với thời gian tiến hành cuộc gọi. Tải lưu lượng là số lượng không thứ nguyên. Một erlang là lưu lượng trên một kênh liên lạc chiếm giữ. GOS là thông số để định lượng tắc nghẽn trong cac hệ thống thông tin đường trục (trung kế), biểu thị xác suất tắc nghẽn phát hiện đựơc. FDMA và TDMA xảy ra tắc nghẽn khi các kênh vật lý bị chiếm giữ hết. Các giá trị về tải lưu lượng và GOS của dịch vụ thông tin di động cellular thường được xác định trong giờ bận (BH). BH là khoảng thời gian liên tục dìa một giờ trong ngày được hệ thống kê cho biết mật độ lưu lượng cao nhất so với các giờ khác trong ngày. Công thức erlang B có dạng sau: Ptấc nghẽn = Ac C! å K AK K! (2.17) Với A là lưu lượng muốn truyền C là số kênh khả dĩ Các giả thiết của mô hình erlang B là: Số người dùng tiềm năng là vô hạn. Khoảng cách giữa các thời điểm khởi tạo cuộc gọi là ngẫu nhiên. Thời gian tiến hành cuộc gọi là ngẫu nhiên. Thời gian thiết lập cuộc gọi là ngắn không đáng kể. 3.1.1.7. Phân tích tắc nghẽn mềm trong CDMA Khác với các thiết kế truyền thống nói trên, hệ thống CDMA không thể đạt cân bằng hướng lên và hướng xuống, vì hai dạng sóng hai hướng thiết kế khác nhau. Cả hai hướng đều có đường truyền dung lượng hạn chế. Tắc nghẽn mềm CDMA xảy ra khi tổng thể người dùng gây ra mật độ can nhiễu lớn hơn mật độ phổ tạp âm nền một giá trị ngưỡng tiềm định. Giả thiết rằng hệ thống CDMA không bị hạn chế bởi phần cứng, phân tích tắc nghẽn mềm để tính dung lượng. Các giả thiết là: Số cuộc gọi tích cực là biến ngẫn nhiên phân bố Poisson có gí trị trung bình, đó là lưu lượng muốn truyền. Mỗi người dùng tích cực với xác suất r (không tích cực với xác suất 1- r). Tỷ số N0 = Eb/I0 cần cho người dùng thay đổi theo điều kiện truyền sóng để đảm bảo độ sai khung FER quy định. Thông thường FER = 1%. Tất cả các dải quạt đều có số lượng người dùng bằng nhau. Số người dùng phân bố đều trong mỗi dải quạt. 3.1.1.7.1. Sự phân tích lý thuyết Chúng ta có thể công thức hoá sự tắc nghẽn như sau: Can nhiễu trong cell + can nhiễu ngoài cell + tạp âm nhiệt = can nhiễu tổng. å K i=1 vi Ebi R + å j å K i=1 vi(j) Ebi(j) R + N0W > I0W (2.18) Tắc nghẽn xảy ra khi: Với K là hệ số người dùng đồng thời trong mỗi dải quạt. W là bề rộng băng tần mã trải phổ CDMA. R tốc độ dữ liệu. Eb là năng lượng mỗi bit. I0 là mật độ can nhiễu tổng cho phép. Tích cực thoại v là biến ngẫu nhiên nhị thức co xác suất p = Pr (v=1) là thông số tích cực thoại. Ta có thông số Eb/T0, sau đó chia hai vế (2.18) cho I0R ta có dạng mới: å K i=1 vi ei + å j å K i=1 vi(j) ei > (1-h) W R (2.19) W/R là tăng ích xử lý. h =N0/I0 là giá trị ngưỡng tiền định. Xác suất tắc nghẽn trong hệ thống CDMA là xác suất để điều kiện trên đây được thực hiện. (2.20) Z = å K i=1 vi ei + å j å K i=1 vi(j) ei > (1-h) W R Ptấc nghẽn = P Vậy xác suất tắc nghẽn trong hệ thống CDMA được xác định bởi các yếu tố sau: Chất lượng hệ thống E0/I0. Tích cực thoại. Bề rộng băng tần trải phổ. Tốc độ dự liệu. Mức cực đại cho phép của can nhiễu. Phân tích tắc nghẽn có thể giảm bớt bằng tăng ngưỡng can nhiễu 1/h = I0/N0. Đây là trường hợp hệ thống CDMA chịu giảm chất lượng dịch vụ để tăng thêm người dùng. Giá trị ngưỡng can nhiễu được nhà khai thác vận hành mạng thiết lập bằng phần mềm xử lý cuộc gọi. “Tắc nghẽn mềm” chính là “dung lượng mềm”. Sự phân bố của sự kiện Z trong (2.20) phụ thuộc vào cac biến ngẫu nhiên sau: Tích cực thoại v. Tỷ số năng lượng mỗi bit trên can nhiễu. Số thuê bao trong dải quạt xét Ns. Số người dùng tích cực trong mỗi dải quạt K. Sự phân bố biến ngẫu nhiên v như sau: (2.21) P(v=K) = Ns - 1 K rK (1 - r)Ns-K-1 l m Sự phân bố theo luật Poisson của biến ngẫu nhiên K là: Ip .. -l m PK = (2.22) K! Trong đó: l đặc trưng cho tốc độ sự kiện. m đặc trưng cho lưu lượng muốn truyền. l/m đặc trưng cho lưu lượng muốn truyền. x 10 Sự phân bố I0=Eb/I0 phụ thuộc vào cơ chế điều khiển công suất. Người ta xác định e khi cell đầy tải với FER cố định. Dữ liệu thử nghiệm chứng tỏ biến ngẫu nhiên e có sự phân bố chuẩn logarit. e = 10 (2.23) E(e) = E[exp(bx)] = exp (bs)2 2 Ip .. (bm) (2.24) X là biến ngẫu nhiên Gaussian có giá trị trung bình là m và phương sai là e. Momen bậc nhất và hai của e là: E(e2) = E[exp(2bx)] = exp[2(bs)2] Ip .. (2bm) với b = 0,1ln10 3.1.1.7.2. Trường hợp cell độc lập Đối với cell độc lập, Z là tổng của K biến ngẫu nhiên, với K là số người dùng đồng thời trong cell. (2.25) A - E(Z) STD(Z) Xác suất tắc nghẽn = Q E là kỳ vọng toán học. STD là phương sai. Ta có phương trình: Xác suất tắc nghẽn = Q l m r exp[2(rs)2] W/R exp(bm) (1 - h) - l m r exp (bs)2 2 (2.26) 3.1.1.7.3. Hệ thống nhiều cell Trong hệ thống này chúng ta cần nghĩ đến can nhiễu do người dùng trong tất cả các cell gây ra. 3.1.1.7.4. Đặc tính suy hao đường truyền Điều khiển công suất có ý nghĩa quyết định đến đặc tính chất lượng hệ thống CDMA. Nếu cho rằng suy hao đường truyền chỉ phụ thuộc vào cự ly từ máy di động đến trạm gốc thì máy di động được điều khiển công suất bởi BTS gần nhất. Suy hao đường truyền thường đo cự ly tối thiểu 1 km nhằm tránh hiệu ứng trường gần. 3.1.1.7.5. Can nhiễu từ các cell khác Mật độ nhiễu chuẩn hoá do các cell khác gây ra có thể viết: J0 = Ioc/I0. Vì Ioc = nhiễu tổng từ các cell khác chia cho W nên: J0 = òò allcells Tổng các nhiễu từ các cell khác I0W = rm ro g 10 x 10 F ro rm x’ E0RvK I0W dA (2.27) Cự ly từ máy di động đến BTS khác được xét. rm cự ly từ máy di động đến BTS mà nó đang liên lạc. r0 khoảng cách từ các thuê bao đến cell. g số mũ biểu thị tốc độ đến BTS mà nó đang liên lạc. v hệ số tích cực thoại. Ioc mật độ nhiễu các cell khác. I0 mật độ nhiễu tổng cho phép. W băng tần trải rộng. EbR năng lượng mỗi bit* tốc độ số liệu. Tích số này là công suất tín hiệu mà BTS nhận được tà MS, với giả thiết áp dụng điều khiển công suất. “*” đặc trưng cho suy hao đường truyền. 3.2. Dung lượng đường truyền xuống Dung lượng đường truyền hướng xuống được tính toán tương tự như trên, nghĩa là phải tính tỷ số năng lượng trên mỗi bit trên mật độ can nhiễu với người dùng. Ở hướng xuống, các kênh pilot, nhắn tin và đồng bộ đều can nhiễu đối với kênh lưu lượng. Do đó, để xác định được lưu lượng đường xuống, ta phải xét đến ảnh hưởng nói trên và điều kiện truyền sóng đa đường, tốc độ người dùng E0/I0 = 2- 20 dB. 3.2.2.1. Tính gần đúng bậc nhất dung lượng đường truyền hướng xuống (2.28) N < (1 - x) Veff (3S3wayx3way + 2S2wayx2way + S1wayx1way) xiway = (Ion(i) - l(i)) 10 + FPCerror Eb Niway /10 il(i) W R (2.29) (2.30) Ion(i) = i + dIocn(i) N dung lượng tính bằng erlang. Veff hệ số tích cực thoại hiệu dụng. FPC tỷ lệ trong tổng công suất cell của các kênh pilot, nhắn tín, đồng bộ. Siway tỷ lệ người dùng bị chuyển giao đường i. Ion(i) can nhiễu chuẩn hoá tổng đối với người dùng đường i. Iocn(i) nhiễu chuẩn hoá của các cell khác (không bao gồm sóng mang liền kề). x(i) tỷ lệ công suất phục hồi cho đường kết nối i. Bảng sau đây chỉ ra các tham số điển hình. Với các tham số đó, ta áp dụng các phương trình (2.28) (2.30) thì tính được dung lượng đường truyền hướng xuống: Nếu Vocoder tốc độ nhóm 1, N = 14,7 erlang. Nếu Vocoder tốc độ nhóm 2, N = 7,5 erlang. PARAMETER 1-WAY 3-WAY 2-WAY Siway 0,4 0,25 0,35 Iocn(i) 0,134 0,3 0,3 l(i) 0,92 0,8 0,92 Eb/Ntiwayfor 13 Kb 15,5 dB 7 dB 9 dB Eb/Ntiway for 8 Kb 13 dB 5 dB 7 dB FPCerror 1,2 dB (13 Kb) 1,5 dB (8 Kb) xiway 0,37 W/R 85,33 (13 kB) 128 (8 kB) Veff 0,48 (13 kB) 0,56 (8 kB) Bảng 1. Ví dụ về các tham số phục vụ tính toán dung lượng 3.2.2.2. Tính dung lượng: số người dùng avg å C(1+g) i=1 FiVi = 1 - b (2.31) C = vihFavg 1 - b (2.32) (2.33) + 3P3c,3s v2 v1 v3 v1 h = (P1c,1s + 2P2c,2s) + (2P2c,2s + 3P2c,3s) Với C là dung lượng cell (số người dùng). g là tham số chuyển giao mềm. Fi là tỷ lệ công suất cấp phát cho thuê bao i. Vi là tham số tích cực tiếng của thuê bao i. b là tỷ lệ công suất cấp phát cho các kênh báo hiệu. H là hệ số giảm chuyển giao do công suất thêm vào của kênh điều khiển công suất. Pic,js là xác suất chuyển giao của cell i, dải quạt j. vi là tích cực tiếng khi chuyển giao ở đường i. (2.34) a2i 1 24 r + 23 24 vi = vi = 0,43; v2 = 0,48; v3 = 0,51 vi là tăng ích điều khiển công suất khi chuyển giao ở đường i (tính so với kênh lưu lượng). r là tích cực tiếng (giá trị trung bình). KẾT LUẬN Như vậy, sau khi đã nghiên cứu các vấn đề của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba từ khái niệm, cấu trúc tổng quan cho đến các kĩ thuật điều chế, trải phổ chúng ta có thể đưa ra những kết luận sau : Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phương tiện được phủ khắp toàn cầu có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phương tiện băng rộng như: hộp thư thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap (giao thức ứng dụng không dây)... để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh... Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh , cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình... Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có cấu trúc tổng quan dựa trên nền cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM hiện có bao gồm hai phần chính là mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến. So với hệ thống thế hệ hai (GSM) thì mạng lõi của hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được thêm vào hai bộ phận hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói là nút hỗ trợ dịch vụ GPRS và nút hỗ trợ GPRS cổng. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 được xây dựng chủ yếu trên công nghệ CDMA (mà cụ thể là sử dụng CDMA băng rộng W- CDMA),trong đó kỹ thuật trải phổ là kĩ thuật xử lí số quan trọng sử dụng trong hệ thống thông tin di động 3G. Thông tin trước khi truyền đi sẽ được trải phổ trên một băng tần rất rộng nhờ dãy mă trải phổ giả ngẫu nhiên do đó nó có được các ưu điểm như triệt nhiễu, bảo mật…Mỗi thuê bao sẽ có một mã riêng để truy cập vào hệ thống trong cùng một băng tần. Hệ thống thông tin di động sử dụng W- CDMA truyền dẫn tín hiệu bằng cách sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lí đường lên và đường xuống. Trong W- CDMA, lớp vật lí có cấu trúc rất linh hoạt và mềm dẻo để tích hợp được tất cả tốc độ trên một sóng mang. Với những ưu điểm nổi trội của thông tin di động thé hệ ba cùng với sự tương thích về mặt cấu trúc so với hệ thống GSM thì với hạ tầng cơ sở hiện có ở Việt Nam hiện nay, việc tiến tới triển khai 3G là hoàn toàn có thẻ thực hiện được. Chúng ta sẽ từng bước triển khai hệ thống thông tin di động thế hệ ba với lộ trình là : GSM - GPRS - W CDMA. Việc triển khai 3G là dựa trên hạ tầng của GSM chứ không loại bỏ nó, do vậy sẽ giảm được chi phí. Với những thuận lợi đó, cùng với sự nỗ lực của ngành viễn thông, hy vọng rằng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sẽ sớm được triển khai ở Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng. Thông tin di động thế hệ thứ ba. Nhà xuất bản Bưu Điện. 2002. [2].TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng. cdma One và cdma 2000. Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. 2001. [3]. Jaana Laiho, Achim Wacker, Tomas Novosad. Radio Network Planning and Optimisation for UMTS. [4]. Salonaho, Laakso. Flexible Power Allocation for Physical Control Channel in WCDMA. [5]. 3GPP. Technical Specification Group RAN. Working Group 2. ’Radio Resource Management Strategies’. [6]. Holma, Toskala. WCDMA for UMTS. [7]. Đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án phát triển mạng thông tin di động hiện tại của Tổng Công Ty sang mạng thông tin di động thế hệ ba. Mã số: 013-2001-TCT-RDP-VT-04. [8]. Ramjee Prasad, Werner Mohr, Walter Konhauser. Third General Mobile Communication Systems. Artech House. [9]. TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng. Lý thuyết trải phổ và ứng dụng. Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. 1999. [10]. Clint Smith and Daniel Collins. 3G Wireless Network. McGraw-Hill. 2000. [11]. IMT-2000/3GPP. 2000. [12]. Harri Holma and Anti Toskala, W-CDMA for UMTS, John Winley and Sons, 2000.