CHƯƠNGII :
PHƯƠNGPHÁPTRUYNHẬPKÊNHTRONGTHÔNGTINDIĐ
ỘNG
1. Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing)
Để làm tăng dung lượng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào
đó, chẳng hạn như trong thông tin di động thì người ta phải sử dụng kỹ thuật
ghép kênh. Hiện nay có rất nhiều loại ghép kênh, nhưng ba hình thức thông
dụng nhất là:
• FDMA (Frequency Division Multiple Access- Đa truy nhập
phân chia theo tần số).
• TDMA (Time Division Multiple Access- Đa truy nhập phân
chiatheo thời gian).
• CDMA (Code Division Multiple Access- Đa truy nhập phân
chia theo mã).
Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi
mạch chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều
sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến
được nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng được
gán cho một tần số riêng.
2. FDMA
Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh
FDMA, đều chia toàn bộ băng tần được phân phối cho một nhà khai thác
mạng tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thường
cóđộ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi
cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416
cặp tần số khả dụng. Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào
bất kỳ lúc nào.
Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các
thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ
hơn. Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng
biệt. Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật
FDMA có khả năng sử dụng được với cả các hệ thống truyền dẫn số
(Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tương tự (Analog).
Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào
analog ở Hoa Kỳ:
Như vậy, mỗi kênh chiếm dải thông vàđáp ứng cho một cuộc đàm
thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhưng nhiều máy vô tuyến có thể
truy nhập tới được.
3. TDMA
Với TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian.
Từng cuộc đàm thoại được biến đổi thành tín hiệu số và sau đóđược gán cho
một trong những khe thời gian này. Số lượng khe trong một kênh có thể thay
đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống. Cóít nhất là hai khe thời
gian cho một kênh, và thường thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có
khả năng phục vụ số lượng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật
FDMA với cùng một đại lượng dải thông như vậy.
TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải
được số hoá hoặc mã hoá, sau đóđược lưu trữ vào một bộ nhớđệm để gán
cho một khe thời gian trống và cuối cùng mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn
tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã
hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên
thiết bị TDMA phải được sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín
hiệu thu nhằm duy trì chất lượng của tín hiệu.
30 KHz kênh 1
Thoại
analog
30 KHz kênh 832
.
.
.
Thoại
analog
Hình vẽ dưới đây minh hoạ kỹ thuật TDMA, các kênh analog 30 kHz
dùng cho mạng tế bào hỗ trợđược ba kênh digital. Các đường truyền âm
thanh analog của mỗi cuộc đàm thoại đi qua bộ biến đổi A/D và sau đó
chiếm một khe thời gian trong kênh analog 30 kHz.
4. CDMA
Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang tin ( ví dụ như tiếng nói) được
biến đổi thành tín hiệu digital, sau đóđược trộn với một mã giống như mã
ngẫu nhiên. Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giả ngẫu nhiên,
khi đóđược phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ.
Không giống FDMA hay TDMA, truyền dẫn trải phổ mà CDMA sử
dụng đòi hỏi các kênh có dải thông tương đối rộng (Thường là 1,25 MHz).
Tuy nhiên theo tính toán lý thuyết thì CDMA có thể chứa được số thuê bao
lớn gấp khoảng 20 lần mà FDMA có thể có trong một dải thông tổng cộng
như nhau .
30 kHz kênh 1
30 kHz kênh 832
.
.
.
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
Bộ biến
đổi A/D
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
(20)
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
Bộ biến
đổi A/D
Tạo
mã
(20)
1,25 MHz
kênh 1
1,25 MHz
kênh 20
.
.
.
(1)
(1)
Hình vẽ trên là một minh hoạ của kỹ thuật CDMA. Dải thông tăng từ
30 kHz lên 1,25 MHz, nhưng trong dải thông này bây giờ còn xấp xỉ 20 cuộc
đàm thoại. Mỗi đường thoại analog trước hết được biến đổi thành digital nhờ
bộ biến đổi A/D đúng như với TDMA. Tuy nhiên sau đó thêm một bước nữa
là chèn một mãđặc biệt qua một bộ tạo mã. Sau đó tín hiệu được phát đi, trải
rộng thêm 1,25 MHz dải thông chứ không chiếm một khe thời gian riêng
trong dải này.
Các đặc tính tiên tiến của thông tin di động sử dụng kỹ thuật CDMA:
Tái sử dụng tần só:
Trong các hệ thống thông tin di động TDMA, mỗi tần sốđược tái sử
dụng lại tại các tế bào cách nhau một cự ly nhất định. Nhưng trong hệ thống
sử dụng kỹ thuật CDMA, một tần sốđược sử dụng trên cc tế bào kề nhau.
Với việc tái sử dụng tần số, ở mức độ giao thoa cho phép có thểđạt dung
lượng của hệ thống cao hơn nhiều so với các hệ thống di động dùng kỹ thuật
FDMA hoặc TDMA.
Dung lượng đạt cao hơn:
Trong hệ thống di động CDMA, khoảng 27 cuộc gọi tốc độ 9,6 Kb/s
có thể làm việc đồng thời trong một sector và 18 cuộc gọi tốc độ 14,4 Kb/s
đồng thời cho một sector. Dung lượng của hệ thống CDMA lớn gấp 13,5 lần
so với hệ thống di động AMPS, và lớn gấp 5 lần so với hệ thống di động
TDMA.
Khả năng chuyển vùng mềm:
Quá trình máy di động di chuyển trong vùng phủ sóng có thể xảy ra
ba loại chuyển vùng khác nhau là: Chuyển vùng cứng (Máy di chuyển giữa
các LA kề nhau hay giữa các BSC), chuyển vùng mềm (Máy di chuyển giữa
các BTS của cùng một BSC) và chuyển vùng mềm hơn (Máy di chuyển giữa
các sector của cùng một BTS).
Trong khi hệ thống di động TDMA sử dụng kỹ thuật chuyển vùng cắt
trước khi nối thì trong công nghệ CDMA lại sử dụng kỹ thuật nối trước khi
cắt. Khi đang di chuyển, máy di động vẫn tiếp tục dò tìm tín hiệu dẫđường
của các trạm thu phát bên cạnh. Nó so sánh tín hiệu thu được của các trạm
lân cận với tín hiệu của trạm đang kết nối. Khi cường độ thu của trạm lân
cận đạt đến một mức ngưỡng nào đấy thì việc chuyển vùng mềm có thể
sẽđược thực hiện. Lúc này, máy di động gửi bản tin đến trạm điều khiển
trung tâm (BSC). Trạm trung tâm thực hiệ kết nối máy di động và trạm thu
phát mới trong khi vẫn giữđường kết nối ban đầu. Chỉ sau khi thực hiện
thành công việc kết nối rồi mới cắt liên lạc với trạm cũ. Ưu điểm nổi bật của
chuyển vùng mềm và chuyển vùng mềm hơn là loại trừđược các hiện tượng
rơi cuộc gọi hay gán đoạn thông tin trong khi máy di động di chuyển trong
vùng giáp danh giữa các BTS hoặc giữa các sector trong cùng một BTS.
Tính đa dạng của phân tập:
Phân tập là một phương pháp hiệu quảđể giảm fading. Có ba loại
phân tập là:
• Phân tập theo thời gian dùng kỹ thuật chèn mã, tách lỗi và sửa
sai.
• Phân tập theo khoảng cách: thiết kế nhiều cặp antenthu tại một
trạm gốc BTS, thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng
mềm) để kết nối với máy di động đồng thời với hai hoặc nhiều
BTS.
• Loại phân tập dùng phương pháp thu đa đường là phân tập cao
nhất nhờđặc tính duy nhất của CDMA là thu/phát dùng mã PN
mà các hệ thống vô tuyến di động khác không có. Nhờ có bộ
tương quan song song mã PN, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi
đường sau đó tổ hợp và giải điều chếcc tín hiệu thu được.
Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu được nhưng
không có tác động đến các đường thu khác nếu không có sự
tương quan PN giữa các đường thu. Vì vậy tổng tín hiệu thu
được cóđộ tin cậy rất cao vì khả năng có fading đồng thời trong
tất cả các tín hiệu là rất thấp.
Với việc ứng dụng nhiều loại phân tập, các kỹ thuật vô tuyến di động
dùng kỹ thuật CDMA khắc phục được các hiện tượng gián đoạn cuộc gọi,
cải thiện đáng kể chất lượng thoại và truyền số liệu.
Điều khiển tựđộng công suất phát:
Công suất phát của máy di động được tựđộng điều chỉnh sao cho tất
cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể thu được với đọ nhạy
trung bình tại bộ thu của trạm gốc BTS. Bộ thu CDMA của trạm gốc BTS
chuyển tín hiệu thu được từ máy tương ứng thành thông tin số băng hẹp. Khi
đó tín hiệu thu được của các máy di động còn lại là tín hiệu nhiễu của băng
rộng. Thủ tục thu hẹp băng nhằm nâng cao tỷ số S/N lên đến mức cao nhất.
Dung lượng của hệ thống đạt được là lớn nhất khi tín hiệu thu được tại BTS
từ các máy di động có tỷ số S/N đạt giá trị cao nhất. Trạm BTS cung cấp
chức năng mở mạch điều khiển công suất qua việc cung cấp cho máy di
động một hằng số công suất. Hằng số này liên quan đến các yếu tố như tải,
tạp âm của BTS, tăng ích của anten và khuếch đại công suất. Các thông tin
này được gửi tới máy di động như một bản tin thông báo, thông qua mạch
đóng trạm gốc BTS điều chỉnh cống suất mạch mởđể máy di động giữđược
công suất phát tối ưu nhất. Trạm gốc cứ sau khoảng thời gian 1,25 ms lại so
sánh tín hiệu thu được từ máy di động với giá trị ngưỡng biến đổi và BTS
điều khiển máy di động điều chỉnh công suất phát đến khi đạt kết quả tốt.
Mục đích của việc điều khiển công suất phát của trạm gốc còn đạt mục tiêu
giảm công suất phát của máy di động mỗi khi ở trạng thái rỗi hoặc ở vị trí
gần BTS. Với kêt quả này công suất sẽ tập trung cung cấp cho các máy ở
vùng có nguy cơ thu gián đoạn hay máy di động đang ở vị trí xa BTS.
Công suất phát thấp:
Việc giảm tỷ số S/N không những làm tăng dung lượng hệ thống mà
còn có tác dụng giảm công suất phát đẻ khắc phục tạp âm và giao thoa. Khi
giảm công suất phát, sẽ giảm được giao thoa Và bán kính phục vụ của một
trạm gốc có thểđạt lớn hơn, số lượng trạm gốc BTS cần ít hơn so với các hệ
thống di động TDMA.
Bảo mật cuộc gọi:
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật thông tin rất cao vì tạo
được mã PN riêng biệt cho mỗi máy, vì vậy dùng máy thu khác để nhận
dạng hay tìm kiếm là rất khó khăn.
5. So sánh các công nghệ FDMA, TDMA với CDMA ứng dụng trong
thông tin di động tế bào:
Trong FDMA mỗi một khe tần sốđược dành riêng cho một người sử
dụng và người này sẽ dùng khe tần số này suốt quá trình cuộc gọi . Trong
sơđồ TDMA mỗi người dùng được cấp cho một khe thời gian trong quá
trình gọi. Số lượng người dùng được quyết định bởi số lượng các khe thời
gian hay tần số khác nhau có sẵn. Trong sơđồ CDMA tất cả các người dùng
phát đồng thời và trên một tần số. Tín hiệu được phát đi chiếm toàn bộ dải
thông của hệ thống và các dãy mãđược sử dụng để phân biệt người sử dụng
này với người sử dụng kia.
CDMA hơn hẳn so với các kỹ thuật đa truy nhập khác. Nó có thể tính
được phương sai trong hàm truyền của kênh gây ra bởi bộ chọn lọc tần số.
Các máy thu CDMA được thiết kếđể tận dụng ưu điểm từđặc tính nhiều
đường liên quan đến fading chọn lọc tần số vàđể làm giảm tối thiểu ảnh
hưởng của chúng đến dung lượng của hệ thống.
Ưu điểm chủ yếu về dung lượng của CDMA cóđược trong môi trường
vô tuyến đa tế bào. Trong thông tin di động trước đây một trạm gốc công
suất lớn được sử dụng để phủ sóng cho một vùng rộng lớn. Hệ thống này bị
hạn chế khắt khe về mặt băng tần và không thểđáp ứng các dịch vụ di động.
Trong hệ thống điện thoại di động tế bào, máy phát của trạm gốc đơn lẻđược
thay thế bởi rất nhiều các trạm gốc có công suất nhỏ hơn, mỗi máy phát phủ
sóng cho một vùng có dạng tổ ong, gọi là một tế bào. Trong các hệ thống
FDMA hay TDMA mỗi tế bào được chia cho một phần tử của dãy tần số có
sẵn. Dãy tần được dùng trong một tế bào có thểđược sử dụng lại trong tế bào
khác cách đóđủ xa sao cho tín hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu đến
nhau. Số K tế bào sử dụng hết toàn bộ phổ tần có sẵn được gọi là cluster
(cụm). Các cluster được bố trí như hình vẽ sau:
G
B
C
D
F
A
E
G
B
C
D
F
A
E
G
B
C
DF
A
E
G
B
C
D
F
A
E
G
B
C
DF
A
E
Hình vẽ: Cấu trúc cơ bản của hệ thống tế bào
Những tín hiệu cơ bản của người sử dụng khác đồng thời trên cùng
băng tần sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Nhiễu đồng kênh là một tham số giới
hạn của hệ thống vô tuyến di động. Phương pháp tái sử dụng tần sổ trong
TDMA/FDMA và FM/FDMA gây ra nhiễu đồng kênh vì có cùng một dải
tần được sử dụng lại ở một tế bào khác. Việc sử dụng các cluster 7 tế bào
trong nhiều hệ thống vô tuyến di động là không đủđể tránh hiện tượng nhiễu
đồng kênh. Có thể tăng K lớn hơn 7 để giảm nhiễu đồng kênh nhưng sẽ làm
giảm số lượng các kênh trong một tế bào, do vậy sẽ làm giảm dung lượng
của hệ thống. Tương tự nếu giữ nguyên hệ số tái sử dụng là 7 và chia tế bào
thành những vùng nhỏ hơn. Mỗi tế bào được chia thành ba hoặc sáu vùng
nhỏ sẽ sử dụng ba hoặc sáu anten định hướng tương ứng tại trạm gốc phục
vụ cho cả thu lẫn phát. Mỗi vùng nhỏ này sử dụng một dải tần riêng, khác
với dải tần của các vùng kia. Thí dụ, nếu một tế bào được chia thành ba vùng
nhỏ thì nhiễu thu được trên anten định hướng chỉ sấp xỉ một phần ba của
nhiễu thu được trên anten vô hướng đặt tại trạm gốc. Sử dụng tế bào chia
nhỏ thành ba vùng thì số lượng người dùng trong một tế bào có thể tăng
thêm gấp ba lần trong cùng một cluster.
Một vấn đề quan trọng khác trong việc tăng dung lượng của hệ thống
là tính tích cực của thoại. Trong một cuộc thoại giữa hai người, mỗi người
chỉ nói khoảng 35% đến 40% thời gian và nghe hết thời gian còn lại. Trong
hệ thống CDMA tất cả những người sử dụng cùng chia sẻ một kênh vô
tuyến. Khi những người sử dụng trên kênh đang liên lạc không nói thì những
người sử dụng đang đàm thoại khác sẽ chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiễu.
Do vậy việc giám sát tính tích cực của tiếng nói làm giảm nhiễu đa truy nhập
đến 65%. Điều này dẫn đến việc tăng dung lượng của hệ thống lên hệ số 2,5.
Trong đa truy nhập FDMA hoặc TDMA việc người sử dụng được
phân chia tần số hoặc thời gian trong thời gian diễn ra cuộc gọi và hệ thống
cấp lại hai tài nguyên này cho hai người khác trong khoảng thời gian rất
ngắn khi kênh ấn định yên lặng là không thực tế vìđiều này yêu cầu phải
chuyển mạch rất nhanh giữa những người sử dụng khác nhau. Trong FDMA
và TDMA việc tổ chức tần số là yêu cầu khó khăn vì nó kiểm soát nhiễu
đồng kênh. Trong hệ thống CDMA chỉ có một kênh chung nên không cần
thực hiện tổ chức tần số.
Trong FDMA và TDMA, khi máy di động ra khỏi vùng phủ sóng của
tế bào trong quá trình đàm thoại thì tín hiệu thu được sẽ bị yếu đi và trạm
gốc sẽ yêu cầu chuyển giao (handover). Hệ thống sẽ chuyển mạch sang một
kênh mới khi cuộc gọi tiếp tục. Trong CDMA các tế bào khác nhau, khác
nhau ở chỗ sử dụng các dãy mã khác nhau nhưng giống nhau làđều sử dụng
cùng phổ tần. Do đó không cần phải thực hiện handover từ tần số này qua
tần số khác. Chuyển giao như vậy được gọi là chuyển giao mềm (soft
handover).
Trong hệ thống CDMA không có một giới hạn rõ ràng về số lượng
người dùng như trong FDMA và TDMA. Tuy vậy chất lượng hoạt động của
hệ thống đối với tất cả những người sử dụng giảm ít nhiều khi số lượng
người sử dụng cùng liên lạc tăng lên. Khi số người sử dụng tăng lên đến
mức độ nào đó thì sẽ khiến cho nhiễu có thể làm cho tiếng nói trở nên khó
hiểu và gây mất ổn định hệ thống. Tuy nhiên trong CDMA ta quan tâm đến
điều kiện “phong toả mềm”, có thể giải toảđược trái với điều kiện “phong
toả cứng” như trong TDMA và FDMA khi mà tất cả các kênh đều bị chiếm.
Hệ thống CDMA cũng có một vài nhược điểm. Hai nhược điểm nổi
bật là: hiệu ứng tự nhiễu và hiệu ứng xa gần. Hiệu ứng tự nhiễu do các dãy
mã không trực giao gây ra. Trong hệ thống vô tuyến di động các máy di
động truyền tin độc lập với nhau, tín hiệu của chúng không đến trạm gốc
một cách cùng lúc. Do trễ thời gian của chúng là phân bố ngẫu nhiên nên sự
tương quan chéo giữa các tín hiệu thu được từ những người sử dụng là khác
không. Để nhận được nhiễu có mức thấp tất cả tín hiệu phải có tương quan
chéo nhỏ và mọi trễ thời gian tương đối. Tương quan chéo giữa các ký tự
cóđược bằng việc thiết kế một tập các dãy trực giao. Tuy nhiên không có
một tập dãy mã nào được biết là hoàn toàn trực giao khi được dùng trong hệ
thống không đồng bộ. Các thành phần không trực giao của tín hiệu của
những người sử dụng khác sẽ xuất hiện như là nhiễu trong tín hiệu điều chế
mong muốn. Nếu sử dụng máy thu có bộ lọc thích ứng trong hệ thống như
vậy thì số lượng của người sử dụng bị hạn chế bởi nhiễu gây ra bởi những
người sử dụng khác. Điều này khác với trong các hệ thống TDMA và
FDMA, trong các hệ thống này tính chất trực giao của tín hiệu thu được bị
duy trì bằng việc chọn lọc vàđồng bộ chính xác.
Hạn chế chính của CDMA là hiệu ứng xa gần. Hiện tượng này xuất
hiện khi một tín hiệu yếu từ một máy di động ở xa thu được tại trạm gốc bị
chèn ép bởi tín hiệu mạnh từ nguồn nhiễu đó. Tín hiệu nhiễu với công suất
lớn hơn n lần công suất tín hiệu mong muốn sẽ tác dụng gần như là n tín
hiệu nhiễu có công suất bằng công suất của tín hiệu. Để khắc phục hiệu ứng
xa gần trong hầu hết các ứng dụng CDMA người ta sử dụng các sơđồđiều
khiển công suất. Trong hệ thống tế bào điều khiển công suất được thực hiện
bởi các trạm gốc, các trạm này định kỳ ra lệnh các máy di động điều chỉnh
công suất máy phát sao cho tất cả các tín hiệu thu được tại trạm gốc với mức
công suất là như nhau.
CHƯƠNGIII : GIỚITHIỆUCHUNGVỀAMPS
1. Giới thiệu chung
AMPS là hệ thống điện thoại di động tổ ong do AT&T và Motorola-
Mỹđề xuất sử dụng vào năm 1982. Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số
có giới hạn nên vùng phục vụ rộng của nóđược phân chia thành các cell nhỏ
và dịch vụ cung cấp sử dụng một tần số nhất định với một công suất nhỏđể
cho phép các BS ở cách xa một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng
cùng một tần sốđó một cách đồng thời. Sau đó, người ta coi vùng phục vụ
tương ứng như một hình lục giác để làm đơn giản hoá việc thiết kế và tính
toán lý thuyết về mạng điện thoại di động.
Tái sử dụng tần số liên quan đến việc định vị các BS để tái sử dụng
các tần số chính xác, không phải sử dụng cùng một tần số giữa các BS
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét