GIGIỚỚI THII THIỆỆU HU HỆỆ THTHỐỐNG NG THÔNG TIN DI ĐTHÔNG TIN DI ĐỘỘNG NG

ỨỨNG DNG DỤỤNG CÔNG NG CÔNG NGHNGHỆỆ CDMACDMA

CDMACDMA AND AND APPLICATIONSAPPLICATIONS

Bộ Môn Viễn ThôngKhoa Điện-Điện Tử

Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh

TP.HCM 2-2006

CCÁÁC PHƯƠNG PHC PHƯƠNG PHÁÁP P ĐA TRUY NHĐA TRUY NHẬẬPP

MULTIPLE ACCESS SCHEMESMULTIPLE ACCESS SCHEMES

KhKhááii ququáátt ccáácc phươngphương phpháápp đađa truytruy nhnhậậpp

Trong hệ thống thông tin đa truy nhập, số lượng lớn thôngtin được chia sẻ trên kênh thông tin chung.Mục đích là phối hợp tín hiệu từ các máy thu khác nhautrên cùng một kênh thông tin chung, tại máy thu các tínhiệu phân biệt độc lập lẫn nhau mà không gây nhiễu do đa truy nhập gây ra.Dựa trên đặc điểm của việc phân chia để các tín hiệuchia sẻ cung kênh thông tin, có các phương pháp đa truynhập như sau:

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMAĐa truy nhập phân chia theo thời gian TDMAĐa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp--FDMAFDMA

Các người sử dụng được truy nhập vào kênh thông tin chung trên cơ sở phân chia theo tần số. FDMA có đặcđiểm:

Kênh FDMA chỉ phục vụ duy nhất một thuê bao tạimột thời điểmNếu một kênh FDMA không được dùng, thì nó khôngđược tái sử dụng bởi một user khác.Sau khi đã gán một kênh thoại, BS và MS tiến hànhthu và phát một cách liên tục đồng thời.Băng thông kênh FDMA nhỏ (30KHz)Thời gian của ký hiệu (symbol) thường lớn hơn thờigian trễ tín hiệu.FDMA là phương pháp truyền dẫn liên tục nên ít cầncác bit phục vụ mục đích định tuyến.

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp--FDMAFDMA

FDMA cần cấu trúc lọc RF chặt chẽ để tối thiểu hóa giao thoagiữa các kênh thông tin kế cận.Tổng số kênh có thể hoạt động đồng thời trong một hệ thốngFDMA là:

c

guardtot

BBB

N2−

=

• Btot: Tổng số phổ được phân phối• Bguard: Băng tần bảo vệ xung quanh mỗi kênh• Bc: Băng tần sử dụng của mỗi kênh

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp--TDMATDMA

Các người sử dụng được truy nhập vào kênh thông tin chung trên cơ sở phân chia theo thời gian. TDMA có đặcđiểm:

Mỗi user chiếm một khe thời gianTDMA chia một sóng mang đơn cho một user. Số khethời gian trong mỗi khung phụ thuộc vào kỹ thuật điềuchế, băng thông…Truyền dẫn ở TDMA không liên tục.Quá trình xử lý chuyển giao cuộc gọi giữa các Cell là đơngiản, MS có thể theo dõi các trạm gốc khác nhau trongsuốt quá trình nghỉ.TDMA sử dụng các khe thời gian khác nhau cho phát vàthu.Quá trình đồng bộ khung rất cần thiết và đòi hỏi chínhxác để phía thu tách sóng đúng.

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp--TDMATDMA

Trong TDMA, tổng số kênh trong hệ thống được xác định:

c

guardtot

BBBm

N)2( −

=

• Btot: Tổng số phổ được phân phối• Bguard: Băng tần bảo vệ xung quanh mỗi kênh• Bc: Băng tần sử dụng của mỗi kênh• m: Số User cực đại trong một kênh vô tuyến

CCáácc phươngphương ththứứcc đađa truytruy nhnhậậpp--CDMACDMA

Đặc điểm của hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã:Các User cùng chia sẻ một băng tần sốCDMA có một giới hạn mềm (soft limitation) đối vớidung lượng hệ thống (system capacity).Hạn chế đáng kể nhiễu Fading đa đường bởi vì tínhiệu được trải ra trên một phổ rất rộng so với phổ củatín hiệu gốc.Trong CDMA, tất cả các Cell đều sử dụng lại tần sốcủa các cell kế cận. Nhiễu đồng kênh được hạn chếnhờ vào sử dụng thu phân tập theo không gian, hỗ trợviệc chuyển giao mềm (Soft Handoff).Giao thoa gần-xa (Near-Far Problem) là một hiệntượng phổ biến trong CDMA.

So So ssáánhnh đđặặcc trưngtrưng ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

FDMA TDMA CDMA

Kênh/Sóngmang

1 N>1. Một khungTDMA gồm N khethời gian đuwojcchỉ định dùng chomõi khe thời giankhác nhau

N>1. Tất cả cácthuê bao phátđồng thời trêncùng một băngthông.

Phát Liên tục, đồngthời trên đườngUplink vàDownlink

Không liên tục, phát và thu tại cáckhe thời gian khôngchéo nhau

Liên tục đồngthời trên đườngUplink vàDownlink.

Băngtần/kênh tầnsố

Băng tần hẹp BW tương đối BW rất rộng.

So So ssáánhnh đđặặcc trưngtrưng ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

FDMA TDMA CDMA

Nhiễu giaothoa giữacác ký hiệu

Không đáng kể Có giá trị, dẫn đếnsự phân chiakhoảng cách phátN phần

Có giá trị, máythu RAKE đượcsử dụng.

Tổng sốBit/Khung

Thấp Cao, chứa các Bit đồng bộm bit bảovệ và Bit giám sát

Tương đối thấp, nhưng yêu cầucó thêm kênhPilot để yêu cầucho việc táchsóng liên tục

Phần cứng Đơn giản BW tương đối phứctạp do bộ cân bằngđồng bộ phức tạp

Rất phức tạp do yêu cầu xử lý tốcđộ cao trên băngrộng

So So ssáánhnh đđặặcc trưngtrưng ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

FDMA TDMA CDMA

GhépDuplex

Yêu cầu Không cần thiết vìphát và thu tạinhững khe thời giankhác nhau

Yêu cầu

Chuyển giaoHandoff

Máy phát và thucủa BS liên tụcnên không hiểuđược Handoff

Thực hiện được vìMS luôn họat độngđể giám sát các BS trong N-1 khe thờigian khác. Do đó cóthể thực hiện đượcHandoff nhanh.

Thực hiện đượcvì MS sử dụngmáy thu RAKE để kiểm tra BS khác. Ngoài racòn có chuyểngiao mềm.

Chi phí BS Cao, một máyphát và máy thucho mỗi kênh

Thấp Chi phí đườngtruyền RF thấpnhưng bộ xử lýBS chi phí cao.

So So ssáánhnh đđặặcc trưngtrưng ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

FDMA TDMA CDMA

Nhiễu bănghẹp

Bị ảnh hưởng, làm giảm đặc tínhhệ thống

Ảnh hưởng và làmgiảm đặc tính hệthống

Không ảnhhưởng vì nhiễubăng hẹp bị suygiảm đáng kể tạibộ nén phổ ởmáy thu

Tái sử dụngtần số

Cần thiết Cần thiết Không cần thiết

Điều khiểncông suất

Điều khiển chậm Điều khiển, dung lượng không tăng

Điều khiểnnhanh, đặc tínhhữu hiệu

Các dịch vụmới

Dung lượng phátbằng số lượngkhe thời gian tạicác kênh tần số

Dung lượng phátbằng số lượng cáckhe thời gian tạicác kênh tần số

Phục vụ cácdịch vụ với tốcđộ bit phát khácnhau

So So ssáánhnh đđặặcc trưngtrưng ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

FDMA TDMA CDMA

Nhiễu bănghẹp

1 N>1. Một khungTDMA gồm N khethời gian đuwojcchỉ định dùng chomõi khe thời giankhác nhau

N>1. Tất cả cácthuê bao phátđồng thời trêncùng một băngthông.

Phát Liên tục, đồngthời trên đườngUplink vàDownlink

Không liên tục, phát và thu tại cáckhe thời gian khôngchéo nhau

Liên tục đồngthời trên đườngUplink vàDownlink.

Băngtần/kênh tầnsố

Băng tần hẹp BW tương đối BW rất rộng.

BBảảngng thôngthông ssốố kkỹỹ thuthuậậtt ccủủaa FDMA/TDMA/CDMAFDMA/TDMA/CDMA

Thông số FDMA TDMA CDMA

Dải tần vô tuyến 12.5MHz 12.5MHz 12.5MHz

Tái sử dụng tần số K=7 K=7 K=1

Dải thông kênh vô tuyến 0.03MHz 0.03MHz 1.25MHzSố kênh vô tuyến/dải 416 416 10Số kênh vô tuyến/1cell 58 58 10Số kênh lưu thông trong1 kênh vô tuyến

1 3 20

Số kênh lưu thông trongmột cell

57 168 200

Số dải quạt trong 1 cell 3 3 3Số kênh lưu thông/dải 19 56 200Dung lượng 100% 300% 1000%

GIGIỚỚI THII THIỆỆU CDMAU CDMA

INTRODUCTION TO CODE INTRODUCTION TO CODE DIVISION MULTIPLE ACCESSDIVISION MULTIPLE ACCESS

CDMA CDMA llàà ggìì ??

MôMô hhììnhnh ttááii ssửử ddụụngng ttầầnn ssốố

FDMA: hệ số tái sử dụng tần số K=7;CDMA: hệ số K=1.

ChuChuỗỗii nhnhịị phânphân gigiảả ngngẫẫuu nhiênnhiên PRBSPRBS

Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo Random Binary Sequence):

1.1. GiGiớớii thithiệệuu PRBS:PRBS:Là một chuỗi nhị phân 0,1. Trong đó 0,1 xuất hiện có vẻ nhưngẫu nhiên, không tuân theo một qui luật đơn giản.PRBS là chuỗi nhị phân tuần hoàn có chu kỳ rất lớnỨng dụng PRBS:

Sử dụng trong quân độiSử dụng trong kỹ thuật CDMA

Phân loại kỹ thuật trải phổ:Các hệ thống trải phổ được phân loại trên cơ sở phương pháp điều

chế và cấu trúc của hệ thống, thường gồm:Trải phổ chuỗi trực tiếp DS-SS (Direct Sequence-Spread Spectrum).Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequency Hopping-Spread Spectrum)

Trong đó, phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp đa truy nhập theomã DS-CDMA được sử dụng và biết đến rất rộng rãi.

ChuChuỗỗii gigiảả ngngẫẫuu nhiênnhiên PNPN

2. 2. ChuChuỗỗii gigiảả ngngẫẫuu nhiênnhiên PN:PN:- Tín hiệu PRBS được tạo ra bằng cách dùng N các D-Flip-Flop ghép

lại tạo thành một thanh ghi dịch. Đầu vào của thanh ghi là tín hiệuhồi tiếp được tạo ra từ ghép cộng XOR các tín hiệu lấy từ các đầu racủa Flip-Flop. Nhưng không phải mọi đầu ra đều đuwojc cộng lại đểhồi tiếp.

- Mỗi kiểu tổ hợp trên sẽ tạo ra một tín hiệu hồi tiếp riêng và do đó tạora một qui luật biến đổi riêng ở đầu ra của thanh ghi dịch,

- Một hệ như thế được gọi là hệ tuần tự, và do đó tín hiệu ở đầu ra sẽtuần hoàn có chu kỳ.

- Tùy theo cách chọn tổ hợp hồi tiếp mà chu kỳ lặp của tín hiệu có thểdài ngắn khác nhau,

- Để tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên, chu kỳ lặp lại càng lớn càng tốt.- Tuy nhiên nếu gọi N là số Flip-Flop trong thanh ghi dịch, chu kỳ này

không thể lớn hơn .N2

CCáácc chuchuỗỗii mãmã trtrảảii phphổổ

Hiện nay, một số mã trải phổ được sử dụng phổ biến tronghệ thống thông tin vô tuyến:ChuChuỗỗii MM

ChuChuỗỗii GoldGold

SơSơ đđồồ ttạạoo chuchuỗỗii MM

CCáácc chuchuỗỗii mãmã trtrảảii phphổổ

Chuỗi Kasami

SơSơ đđồồ ttạạoo chuchuỗỗii GoldGold

Paradigm Shift of CDMAParadigm Shift of CDMA

Dung Dung lưlượợngng hhệệ ththốốngng CDMACDMA

Ý Ý nghnghĩĩaa gigiáá trtrịị EEbb/N/N00 trongtrong hhệệ ththốốngng CDMACDMA

Là tỉ số năng lượng của mỗi bit trên mật độ phổ côngsuất tạp âm, là giá trị chuẩn để so sánh hiệu suất củaphương pháp điều chế và mã hóa số.Để nâng cao hiệu suất, hệ thống CDMA sử dụng cáckênh băng rộng và sử dụng các mã chuẩn hóa lỗi với độdự phòng cao.Dung lượng của hệ thống CDMA tỉ lệ nghịch với tỉ sốEb/N0, cho nên nếu giảm được Eb/N0 xuống, dung lượnghệ thống sẽ tăng lên, và công suất phát cũng được giảm.

BBộộ thuthu RAKERAKE

ĐĐồồngng BBộộ

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt trêntrên đưđườờngng lênlên

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt vòngvòng mmởở

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt vòngvòng đđóóngng

ĐiĐiềềuu khikhiểểnn côngcông susuấấtt vòngvòng đđóóngng

CânCân bbằằngng gigiữữaa Dung Dung lưlượợngng, , ChChấấtt lưlượợngng, , VVùùngng phphủủ ssóóngng

Đó là 3 yếu tố cơ bản trong bất kỳ mạng vô tuyến nào.Trong CDMA, 3 yếu tố này có mối quan hệ qua lại chặtchẽ, một yếu tố này có thể được cải thiện bằng cách hạthấp yếu tố khác một cách hợp lý và có lợi cho hệ thống.Ví dụ, một hệ thống CDMA vốn dĩ đã có dung lượng hệthống khá cao. Bằng cách giảm vùng phủ sóng hoặc chấtlượng xuống đến mức nhất định, dung lượng của hệthống sẽ được cải thiện.Sự dung hòa linh động giữa 3 yếu tố này tạo nên một đặctính quan trong cho các nhà khai thác, thiết kế và vậnhành hệ thống CDMA.

SƠ ĐSƠ ĐỒỒ KHKHỐỐI HI HỆỆ THTHỐỐNG CDMANG CDMA

ARCHITECTURE ARCHITECTURE OF CDMA SYSTEMOF CDMA SYSTEM

HHệệ ththốốngng CDMACDMA

•MS: Mobile Station

•BS: Base Station

•MX: Mobile Exchange

•HLR: Home Location Registration

•BSC:Base Station Controller

•BSM: Base Station Manager

•ASS: Access Switching Subsystem

•CCS: Central Control Subsystem

BTS

MS

BSC

BSM BSS

ASS

CCS

MSC

MX

PSTN

HLR

TrTrạạmm didi đđộộngng Mobile Station MSMobile Station MS

MS có 3 chức năng:Thiết bị đầu cuối: Thực hiện các dịch vụ của người

sử dụngKết cuối di động: thực hiện truyền dẫn ở giao diện vôtuyến với mạng truy nhậpKết nối trung gian: thực hiện giao tiếp 2 chức năng trên

CCấấuu hhììnhnh BSSBSS

BTS

TSB

CKD

BSC

RF CD

GPS BCP

BIN CIN

CCP

BSMP ALM

BSM

MX

• RF: Radio Frequency Block

• CD: CDMA Digital Block

•BCP: BTS Control Processor

• CIN: CDMA Interconnection Network

• CKD: Clock Distributor

•TSB: Transcoder Selector Bank

•CCP: Call Control Processor.

•BIN: BTS Interconnection Network

• BSMP: Base Station Manager Processor.

•ALM: Alarm

CCấấuu hhììnhnh Mobile Exchange MXMobile Exchange MX

ChChứứcc năngnăng ccủủaa MXMX

Các chức năng trong khối MX:ASS: Access Switching SubsystemASS-7: Truy cập mạng báo hiệu số 7ASS-T: Truy cập mạng trung kế PSTMASS-M: Truy cập mạng thuê bao di độngINS: Interconnection Network SubsystemCCS: Central Control SubsystemAMS: Administration and Maintenance SubsystemLRS: Location Register Subsystem

ChChứứcc năngnăng ccủủaa MXMX

MX có các chức năng như sau:Phân hệ chuyển mạch truy cập ASSPhân hệ liên kết mạng INS, cung cấp đấu nối cho ASS và CCS, xử lý tập trung cuộc gọi và đồng bộ hóa mạngchuyển mạch.Phân hệ điều khiển trung tâm CCS: Bao gồm các khốiAMS, LRS. Mỗi cuộc gọi cần được gán vào một bộchọn và bộ Vocoder tương ứng.

CCấấuu trtrúúcc bbộộ HLRHLR

• AES: Application Entity Subsystem

•DBS: Database Subsystem

• OMS: Operation Maintenance Subsystem

ChChứứcc năngnăng HLRHLR

Chức năng chính của HLR:Lưu trữ thông tin vĩnh viễn và thông tin tạm thờinhư định vị MS, nhận dạng thuê bao, các dịchvụ, số liệu tính cước. AES cung cấp đường truyền dẫn giữa các bộ xử lýứng dụng.NIS: hỗ trợ các chức năng lớp thấp hơn cho báohiệu số 7.

ChuyChuyểểnn giaogiao trongtrong CDMACDMA

Trong hệ thống thông tin tổ ong, chuyển giao xảy ra khitrạm di dộng đang làm các thủ tục thâm nhập mạng hoặcđang có cuộc gọi.Mục đích chuyển giao là để đảm bảo chất lượng đườngtruyền khi một trạm di động rời xa trạm gốc đang phục vụ. Khi đó lưu thông được chuyển sang một kênh mới thuộcmột trạm gốc kế cận khác. Ở CDMA tồn tại các dạng chuyển giao:

Chuyển giao cứngChuyển giao mềmChuyển giao mềm hơn

ChuyChuyểểnn giaogiao trongtrong CDMACDMA

Dạng chuyển giao mềm và mềm hơn:Thủ tục “nối trước khi cắt Make-Before-Break-Switching” được áp dụngChuyển giao mềm là chuyển giao giữa các Cell thuộccùng một BSC quản lýChuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa các Sector của cùng một Cell.Trong CDMA, khi MS phát hiện Pilot mạnh hơn thì nóphát bản tin đo lường về trạm gốc yêu cầu khởi độngchuyển giao,Trong chuyển giao mềm, cả trạm gốc ban đầu và trạmgốc mới đều tham gia vào việc chuyển giao.Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếptục tìm tín hiệu trạm gốc để so sánh với tín hiệu củacell bên cạnh.

ChuyChuyểểnn giaogiao mmềềmm trongtrong CDMACDMA

ChuyChuyểểnn giaogiao mmềềmm hơnhơn

ChuyChuyểểnn giaogiao mmềềmm trongtrong CDMACDMA

Máy di động chuyển bản tin đến trung tâm chuyển mạchdi động để thông báo cường độ tín hiệu của trạm gốc mới.Sau đó trung tâm chuyển mạch thiết lập một đường nốigiữa máy di động và trạm gốc mới, bắt đầu quá trìnhchuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ kết nối ban đầu.Ưu điểm chuyển vùng mềm:

Sự di chuyển của MS giữa các Cell của hệ thống vẫnđược đảm bảo cuộc gọi liên tụcKhi mạng ít tải, chuyển vùng mềm có khả năng tănggấp đôi vùng bao phủ của mỗi tế bào

ChuyChuyểểnn giaogiao ccứứngng trongtrong CDMACDMA

Chuyển giao cứng:Được thực hiện khi cần chuyển lưu thông sang mộtkênh tần số mới. Các hệ thông tương tự và hệ thốngTDMA, FDMA đều chỉ sử dụng phương thức này.Chuyển giao cứng được hình thành trên cơ sở “cắttrước khi nối Break-Before-Make Switching ”. Ở chuyển giao cứng, kết nối với kênh cũ bị cắt trướckhi kết nối với kênh mới.

Nhược điểm của chuyển giao cứng:Có thể làm rớt cuộc gọi do chất lượng cuộc gọi giảmđáng kể khi tiến hành chuyển giao trong khi kết nối vớikênh mới chưa được hoàn thành.

ChuyChuyểểnn giaogiao trongtrong CDMACDMA

Chuyển giao cứng xảy ra khi:CDMA đến CDMA: trường hợp MS di chuyển giữa cácCell của mạng CDMA nhưng hoạt động tại các tần sốkhác nhau.CDMA đến mạng tương tự AnalogCDMA đến mạng CDMA khác (Operator khác)

GIGIỚỚI THII THIỆỆU CDMAU CDMA--2000 V2000 VÀÀCDMACDMA--2000 1X EV2000 1X EV--DODO

INTRODUCTION TO CDMAINTRODUCTION TO CDMA--2000 2000 AND CDMAAND CDMA--2000 1X EV2000 1X EV--DODO

GiGiớớii thithiệệuu hhệệ ththốốngng CDMA2000CDMA2000

Con Con đưđườờngng titiếếnn lênlên 3G 3G ttừừ hhệệ ththốốngng ISIS--9595

CCáácc giaogiao ththứứcc trongtrong CDMACDMA-- IS95 IS95 3G3G

ChuChuẩẩnn trongtrong CDMA2000CDMA2000

TTíínhnh tươngtương ththííchch caocao ccủủaa CDMA2000CDMA2000

Hệ thống CDMA2000 tương thích với hệ thống trước củanó là IS-95:

HHệệ ththốốngng CDMA2000 1XCDMA2000 1X--RTTRTT

HHệệ ththốốngng 3G CDMA2000 1X EV3G CDMA2000 1X EV--DODO

• PDSN: Packet Data Serving Node

•HA: Home Agent

• FA: Foreign Agent

• AAA: Authentication, Authorization, Accounting

• AN: Access Network

• AT: Access Terminal

• IWF: Internet Working Function