Giao Trinh Thong Tin Di Dong

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

PHẠM VĂN NGỌC

THÔNG TIN DI ĐỘNG

TẬP BÀI GIẢNG(Lưu hành nội bộ)

THÁI NGUYÊN 10/2009

1

Chương 1:

Khái quát chung về thông tin di động

1.1. Những đặc thù của thông tin di động:

Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ bắt đầu từ năm 1897 Gugliemo Marconi đã thực hiện liên lạc từ đất liền với những con tàu trên biển bằng sóng điện từ. Đến năm 1980, thông tin di động mới thực sự phát triển trên thế giới.

Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập, mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì dải tần vô tuyến là từ 0 – 3GHz chỉ cho phép truyền 3.109/3.103 = 106 cuộc liên lạc cùng một lúc. Để phục vụ hàng chục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc, đấy chưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác.

Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề để nhiều người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng đúng dải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc phải ở đủ xa nhau về khoảng cách vậy lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền giữa hai người trong cuộc. Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta chia thành các phần nhỏ gọi là tế bào (cellular). Hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào. Về lý thuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúc chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế. Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số.

Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn liền với thiết kế Mạng tế bào, các hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề này là: Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,… Những điều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát triển những công nghệ mới.

1.2. Lịch sử phát triển của thông tin di động:

Để có bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của thông tin di động ta điểm lại một số mốc lịch sử khi phát triển thông tin di động trên thế giới.

Ta có thể lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điển hình:

Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng được giới thiệu lần đầu ở 25 thành phố. Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten

2

cao phủ sóng bán kính 50km. kỹ thuật Push to talk (bán song công), dải rộng kênh truyền là 120kHz (mặc dù băng tần tiếng nói chỉ là 3khz). Đây chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được sử dụng lại tần số, sô người được phục vụ rất ít.

Năm 1950: Độ rộng kênh được thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh sử dụng tăng gấp đôi

Năm 1960: Độ rộng kênh chỉ còn 30kHz.

Từ năm 1950 – 1960: Xuất hiện trung kế tự động, dịch vụ IMTS, hiệu suất sử dụng phổ kém so với hệ thống tế bào ngày nay.

Trong khoảng 1950 – 1960: Lý thuyết mạng tế bào ra đời tuy nhiên công nghệ lúc đó chưa đáp ứng được.

Năm 1976: Ở New York chỉ có 12 kênh phục vụ 543 khách hàng, dịch vụ chất lượng kém hay bị bận

Năm 1981 hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT450 trở thành hệ thống dịch vụ truyền thông di động tế bào Châu âu đầu tiên. Hệ thống này ra đời chủ yếu phát triển các máy điệu thoại trên xe hơi và xách tay. Là hệ thống kỹ thuật Analog, hoạt động trên băng tần 450MHz (453 – 457.5MHz từ MS – BTS và 463 – 467.5MHz từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz do đó cho phép hỗ trợ 180 kênh

Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống này hoạt động trên băng tần 900MHz

Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) bởi công ty AT&T. Đánh dấu sự ra đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1. FCC phân 40MHz trên phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho hệ thống AMPS (824 – 849MHz từ MS – BTS và 869 – 894MHz từ BTS – MS) cho dịch vụ này mỗi kênh có độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống có 832 kênh đúp, (kênh song công mỗi kênh độ rộng 2*30 = 60kHz). Trong 832 kênh có 40 kênh chỉ mang thông tin về hệ thống. Ở mỗi thành phố phân cho 2 nhà cung cấp dịch vụ. Hệ thống tế bào này hoạt động trong môi trường hạn chê giao thoa, sử dụng lại tần số, truy cập theo tần số FDMA, để cực đại số người dùng dải tần và tổ chức kênh của hệ như sau:

3

Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ 3 người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz ( ). Khi kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần. (kết hợp với TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) đánh dấu sự ra đời của thông tin di động thế hệ 2.

Cũng năm 1991: hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởi Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz, phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA). Với AMPS yêu cầu SNR >= 18 dB thì CDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn. Ngoài ra bộ mã hóa tiếng nói tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại sẽ điều khiển bộ phát chí phát sóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa và tiết kiệm pin.

Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu với trên phổ tần 900MHz (890 – 912MHz uplink và 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹ thuật TDMA/FDMA

Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tần cũng được đặt ra từ đầu những năm 1990.

Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa hẹn sự phát triển mới cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã thống nhất một số hướng và chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3.

1.3. Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới:

Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là: Hệ nhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào trong đó:

990

991

… 1023

1 2 799

… 990

990

… 1023

1 2 799

…

Các kênh phát xuôiCác kênh phát ngược

824 – 849 MHzSố hiệu kênh ngược:

Số hiệu kênh xuôi:

869 – 894 MHzTần số: 0.030N + 825.0 MHz

0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz

0.030(N – 1023) + 870.0 MHz

4

Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhận được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio va một mã số riêng.

Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN). Tầm vô tuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc độ thấp….

Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùng dịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào sẽ do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…..

Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với các chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước còn lại. Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mong muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người dùng di chuyển khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay.

Các chuẩn thông tin di động chính ở Bắc Mỹ

Chuẩn Loại Bắt đầu Truy cập Băng tần Điều chế Kênh

AMPS Tế bào 1983 FDMA 824 – 894MHz FM 300KHz

NAMPS Tế bào 1992 FDMA 824 – 894MHz FM 10KHz

USDC Tế bào 1991 TDMA 824 – 894MHz 30KHz

CDPD Tế bào 1993 FH / gói 824 – 894MHz GMSK 30KHz

IS – 95 Tế bào

/PCS

1993 CDMA 824 – 894MHz

1.8 – 2.0 GHz

QMSK

/ BPSK

12.5MHz

GSC Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz

POSAG Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHz

FLEX Nhắn tin

1993 Đơn công Vài kênh 4 – FSK 15KHz

DSC1900 (GSM)

PCS 1994 TDMA 1.85 – 1.99 GHz GMSK 200KHz

PACS Kéo dài

//PCS

1994 TDMA/ FDMA

1.85 – 1.99 GHz 300KHz

MIRS SMR.PCS 1994 TDMA Vài kênh 16QAM 25KHz

5

Các chuẩn thông tin di động chính ở Châu Âu

Chuẩn Loại Bắt đầu Truy cập Băng tần Điều chế Kênh

E-TACS Tế bào 1985 FDMA 900 MHz FM 25KHz

NMT-450 Tế bào 1981 FDMA 457 – 470 MHz FM 25KHz

NMT-900 Tế bào 1986 FDMA 890 - 960 MHz FM 12.5KHz

GSM Tế bào / PCS 1990 TDMA 890 - 960 MHz GMSK 200KHz

C-450 Tế bào 1985 FDMA 450 – 465 MHz FM 20/10KHz

ERMES Nhắn tin 1993 FDMA Vài kênh 4 - FSK 25KHz

CT2 Kéo dài 1989 FDMA 864 – 868 MHz GFSK 100KHz

DECT Kéo dài 1993 TDMA 1.88 – 1.9 GHz GFSK 1.728KHz

DCS-1800 Kéo dài / PCS 1993 TDMA 1.71 – 1.88 GHz GMSK 200KHz

Các chuẩn thông tin di động chính ở Nhật Bản

Chuẩn LoạiBắt đầu

Truy cập

Băng tần Điều chế kênh

JATC Tế bào 1988 FDMA 860 – 925 MHz FM 25KHz

PDC Tế bào 1993 TDMA 810 – 1501 MHz 25KHz

NTT Tế bào 1979 FDMA 400/800 MHz FM 25KHz

NTACS Tế bào 1993 FDMA 843 – 925 MHz FM 12.5KHz

NTT Nhắn tin 1979 FDMA 280 MHz FSK 12.5KHz

NEC Nhắn tin 1979 FDMA Vài kênh FSK 10KHz

PHS Kéo dài 1993 TDMA 1895 – 1907 MHz 300KHz

1.4. Xu hướng phát triển của thông tin di động:

Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về khối lượng, chất lượng và loại hình dịch vụ chia làm các giai đoạn phát triển sau:

Từ năm 1989 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát triển hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu số hiện đại và công nghệ RF.

6

Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà (indoor) cho phép người dùng kết nối máy tính văn phòng trong các tòa nhà lớn (tần số 1.8GHz)

Xu hướng chuẩn hoá IMT – 2000, được quyết định bởi ITU xây dựng chuẩn và quy hoạch tần số trên toàn thế giới.

Xu hướng phát triển hệ viễn thông vệ tinh LEO, cùng với sự phát triển công nghệ vũ trụ, hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên kết nối toàn cầu thích hợp với mọi loại địa hình và loại thông tin.

Hiện nay các quốc gia phát triển sau lại có cơ hội đi nhanh vào các ứng dụng tiên tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với sự phát triển của tương lai.

1.5. Một số kết quả đạt được mạng GSM

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCDS: High Speed Circuit Swiched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Sevice) và số liệu 14,4 kbit/s.

- Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốc cải tiến (EFC: Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng.

- Các dịch vụ bổ sung như:chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ chặn gọi.

- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS :Short Message Service) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS.

- Các công việc liên quan đến tính cước như:các dịch vụ trả tiền trước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình.

- Tăng cường công nghệ SIM.

- Dịch vụ mạng thông minh:CAMEL.

- Các cải thiện chung như:chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ địng vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu.

Thông tin di động thế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện. Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình…

Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thứ ba này:

7

- Mạng phải là băng thông rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện. Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s.

- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu. Điều này xuất phát từ việc thay đổi tồc độ bit của các dịch vụ khác nhau. Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với:tốc độ bit ở đường xuống và tốc độ thấp ở đường lên hoặc ngược lại.

- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu.

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất là đối với thoại.

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu,nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh.

WARC-92 (The World Administrative Radio Conference held in 1992) đã dành các băng tần 1885-2005Mhz và 2110-2200Mhz cho IMT-2000. Hiện nay Châu Âu và các quồc gia sử dụng GMS cùng với Nhật đang phát triển W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS-95) và mở rộng tiêu chuẩn này đến IS-2000.

Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây đựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA.

8

Chương 2:

Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống

Phương pháp sử dụng lại tần số dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là các tế bào. Mỗi tế bào có một ăng ten trung tâm với công suất phù hợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác. Việc phân chia này phải thỏa mãn 2 yêu cầu:

Diện tích các tế bào phải phủ kín vùng dịch vụ, vùng chồng lấn giữa hai tế bào kề nhau phải cực tiểu

Hai tế bào sử dụng cùng dải tần phải cách nhau đủ xa.

2.1. Tế bào và việc phân bổ tần số:

2.1.1. Lựa chọn tế bào:

Để đơn giản ta coi địa hình là bằng phẳng lý tưởng, mỗi tế bào như một đa giác đều. Nếu đa giác này lát kín mặt phẳng thì công thức sau đây được thỏa mãn

(n – 2).1800. = 3600 từ đây k = 2 + (2 – 1)

Ở đây n là số cạnh đa giác, k là số đa giác có chung một đỉnh để lấp kín 3600. Do k, n đều là các số nguyên nên (n – 2) phải là ước của 4 do đó n chỉ có thể nhận các giá trị 3, 4, 6 tức đa giác đều phải là tam giác, tứ giác hoặc lục giác đều.

Khi sử dụng ăng ten phát tròn đặt tại tâm các đa giác này. Với tế bào lục giác thì các hình tròn ngoại tiếp của 2 đa giác kề nhau có diện tích chồng lên nhau nhỏ nhất, Do vậy mô hình tế bào lục giác được lựa chọn trên thực tế.

2.1.2. Phân chia kênh truyền

Giả sử chúng ta có S kênh truyền và phân cho một nhà cung cấp dịch vụ. Khi thiết kế hệ thống không thể phân tất cả S kênh này cho một tế bào vì khi lặp lại điều này ở tế bào bên cạnh các kênh cùng dải tần ở 2 tế bào cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau. Do vây S kênh này phải phân cho một nhóm N tế bào (N còn gọi là kích thước nhóm) như vậy mỗi nhóm có S/N = C kênh, rồi thiết kế lặp lại cả nhóm tế bào này trên địa bàn dịch vụ. Điều này làm cho 2 tế bào cùng kênh ở xa nhau hơn, và hai tế bào ở cạnh nhau chỉ sử dụng các kênh truyền khác nhau điều đó dẫn đến kích thước nhóm càng lớn, 2 tế bào cùng kênh ở càng xa nhau.

Nếu vùng dịch vụ chia làm P tế bào thì dung lượng hệ thống (số người tối đa có thể sử dụng cùng một lúc) được tính là T:

T = M.k = M.S/N (2 – 2)

9

Hình 2 – 1: Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dich vụ

Từ công thức này ta thấy nếu N tăng thì T giảm, nếu N giảm thì T tăng. Vậy để đạt được dung lượng lớn nhất thì N phải tiến đến 1 (tức là phân tất cả kênh vào 1 tế bào) song như đã nói ở trên 2 tế bào bên cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau. Ngược lại để đảm bảo chống nhiễu tốt, N lớn sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm. Lựa chọn kích thước nhóm N thích hợp là nhiệm vụ của người thiết kế.

2.1.3. Kích thước nhóm N:

Khi lựa chọn tế bào hình lục giác, gọi khoảng cách tâm giữa hai tế bào có kênh truyền giống nhau (cùng kênh) nằm gần nhau nhất là D, khoảng cách này được tính như sau

D2 = j2(R )2 + i2(R )2 + i.j(R )2 (2 – 3)

A

C

B

G

F

E

D

A

C

B

G

F

E

D

A

C

B

G

F

E

D

10

Ở đó j, i là các bước dịch sang ngang (vuông góc với cạnh lục giác) và dịch nghiêng 600 (so với dịch ngang 600) để tế bào này có thể trùng lên tế bào kia, R là bán kính tế bào hình 2 – 2.

Mặt khác so tính lặp lại của lục giác và kích thước nhóm cũng được tính:

(2 – 4)

Kích thước nhóm là một số nguyên N phải thỏa mãn công thức trên. Thông thường nó được lựa chọn giá trị N = 4, 7, 12, …

Hình 2 – 2: Liên hệ kích thước nhóm và tỷ số D/R

Ví dụ: Phổ tần 33MHz được phân cho hệ di động song công theo tần số có độ rộng kênh đơn là 25kHz. Tính số kênh ở mỗi tế bào ở các trường hợp.

a. N = 4, b. N = 7, c. N = 12 Nếu vùng dịch vụ có 50 tế bào. Tính dung lượng hệ thống trong mỗi trường hợp đó.

Giải: Độ rộng kênh đúp là:

25kHz*2 = 50kHz

Số kênh đúp được phép là:

33000kHz/50kHz = 660 kênh đúp

N = 4 số kênh trong một tế bào là:

660/4 = 165 kênh đúp, dung lượng kênh là C = P*k = 50*165 = 8250


660/7 = 94 kênh đúp C = 50*94 = 4700


660/12 = 55 kênh đúp C = 50*55 = 2450

A

A

3jR

3iRD i j123014913713271219

11

2.2. Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống:

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu cùng tần số do việc sử dụng lại kênh truyền ta có công thức suy giảm sóng điện từ là:

(2 – 5)

Ở đó p0 là công suất sóng điện từ tại khoảng cách d0, p(d) là công suất sóng điện từ tại khoảng cách d so với nguồn phát, n là số mũ suy giảm sóng điện từ (chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng).

Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cùng kênh gây bởi 6 tế bào xung quanh thu tại máy di động được tính là:

(2 – 6)

Hình 2 – 3: Nhiễu đồng kênh lên bộ thu của máy di động

Ở đó S là công suất tín hiệu có ích thu tại máy di động cách xa tâm tế bào khoảng R (khi ở rìa tế bào). I là công suất không mong muốn cùng kênh cảủau trạm phát ở các tế bào xung quanh gần nhất cách máy di động xấp xỉ khoảng D. Sử dụng công thức tính D và công thức suy giảm sóng điện từ (2 – 3) đến ( 2 – 5) ta thu được:

D2 = j2(R )2 + i2(R )2 +j.i(R )2,

(2 – 7)

A

A

A

A

A

AA

12

Q = D/R còn gọi là tỷ số lặp lại kênh, từ công thức (2 – 2), ( 2 – 7) ở trên ta có thể suy ra:

Quy tắc thiết kế trên địa hình lý tưởng:

Từ S/I, n N, D/R

Các thông số S/I và n bị quy định trước bởi môi trường và tính năng bộ thu bởi nhà chế tạo thiết bị, N và D/R được tính toán thiết kế bởi nhà cung cấp tế bào. Để xác định tiếp R phải thống kê mật độ địa lý người sử dụng (mật dộ lưu lượng) và số kênh tương ứng trong mỗi thế bào.

Ví dụ: Máy thu di động hoạt động tốt đòi hỏi S/I > 15dB. Hãy tính hệ số lặp lại kênh, kích thước nhóm tế bào để hệ có dung lượng lớn nhất ứng với các trường hợp suy giảm sóng điện từ so môi trường là:

a. n = 4, b. n = 3 (coi rằng chỉ có 6 tế bào xung quanh gây nhiễu với cự ly và công suất như nhau)

Giải:

a. Với n = 4 ta chọn N = 7, ta có tỷ số lặp lại kênh là

D/R = = = 4,583

S/I = 1/6(D/R)n = (1/6)(4,583)4 = 75,3 = 18,66 dB

Đây là mô hình chấp nhận được

b. Với n = 3 ta chọn N = 7 ta có tỷ số lặp lại kênh là:

D/R = = = 4,583

S/I = (1/6)(4,583)3 = 16,4 = 12,05 dB không thỏa mãn yêu cầu máy thu

Do đó ta cần tăng N, N = 12 (j = 2; i = 2) ta có

D/R = = = 6

Khi đó S/I = (1/6)(6)3 = 36 = 15,56 dB mô hình chấp nhận được

2.3. Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh:

Một đặc thù riêng của thông tin di động mạng tế bào là phải tính đến nhiễu kênh lân cận dẫn đến việc phải hoạch định tần số trong nhóm tế bào khi thiết kế:

Nhiễu kênh lân cận gây bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gần biểu hiện rõ ở bộ thu của trạm cơ sở. Vì bộ lọc không lý tưởng nên tín hiệu không mong muốn ở kênh lân cận mặc dù bị triết mạnh song nếu nó là tín hiệu rất mạnh (do một máy di động ở gần trạm cơ sở) vẫn chui vào bộ thu gây nhiễu tín hiệu không mong muốn của một máy di động khác khi máy này ở xa bộ thu trạm cơ sở. Được minh họa trên hình 2 – 4:

13

Giả sử máy di động MS1 ở gần trạm cơ sở hơn máy MS2 20 lần (SMS2/IMS1) = (20)-n = -52dB (với n = 4). Nếu bộ lọc trung tâm của máy thu trạm cơ sở có sườn dốc 20dB/octabi thì muốn chống nhiễu kênh lân cận dải tần phát của 2 máy di động phải cách xa nhau 6 lần độ rộng kênh truyền. Khi lập kế hoặch phân chia kênh truyền cho các tế bào phải chú ý đến điều này.

Hình 2 – 4: Nhiễu kênh lân cận lên bộ thu trạm cơ sở

Ví dụ: Hệ AMPS năm 1983 có 666 kênh đúp, năm 1989 có thêm 166 kênh đúp tổng cộng có 666 + 166 = 832 kênh đúp.

Bảng 2 – 4: Phân kênh trong hệ AMPS cho 2 nhà cung cấp dịch vụ A và B

Nhà cung cấp A1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 111 112 113 114 115 116

….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. …..

….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. …..

313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333

990 991 ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….

1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023

334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354

355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375

376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396

….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. ….. …..

775 776 777 778 779 780 781 782 783 784 785 786 787 788 789 790 791 792 793 794 795

796 797 798 799

Nhà cung cấp B

Chia cho 2 công ty dịch vụ mỗi công ty 416 kênh, trừ các kênh đóng vai trò điều khiển còn lại 399 kênh được chia thành 21 tập con bằng cách đánh số liên tiếp, mỗi tập con 19 kênh. Các kênh trong một tập cách nhau 21 kênh. Trong mô hình lặp lại 7 tế bào (N = 7). Mỗi tế bào được phân chia theo công thức iA + iB + iC đảm bảo trong một tế bào cách nhau ít nhất 6 kênh.

2.4. Chiến lược phân kênh và chuyển giao:

MS1

MS2

14

Việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, tất yếu phải giải quyết vấn đề chuyển giao khi người dùng di chuyển trong khi liên lạc. Các hệ thống thông tin di động hiện đại luôn phải làm tốt hai việc là phân kênh và chuyển giao.

Phân kênh tĩnh kết hợp phân kênh động: điều này gắn với mật độ người sử dụng thay đổi theo thời gian hoặc khi có sự tụ họp bất thường của những người dùng máy di động, nên bên cạnh một số kênh được phân cố định còn có một số kênh dự trữ được phân linh hoạt theo tình huống cụ thể của mạng.

Chuyển giao tránh hiện tượng “ping pong” và có nguyên tắc ưu tiên.

Hình 2 – 5: Ngưỡng chuyển giao

Khi máy di động chi chuyển theo tuyến đường nằm chính giữa hai tế bào có thể xẩy ra tình huống chuyển đổi qua lại quyền quản lý của hai trạm cơ sở. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng “ping pong” gây quá tải ở bộ phận điều khiển chuyển giao. Để khử hiệu ứng này cần đặt một mức ngưỡng chuyển giao (thông thường là 6dB với hệ thống tương tự), tức là khi tín hiệu thu được ở tế bào mới phải lớn hơn tín hiệu thu được từ tế bào cũ 6dB thì mới quyết định chuyển giao. (hình 2 – 5)

Điều này đã tách một biên chuyển giao thành 2 biên khác nhau. Nếu đặt 2 mức ngưỡng này khác nhau (theo 2 chiều chuyển động thì có thể thay đổi “mềm” được “kích thước” quản lý của 2 tế bào.

Kỹ thuật MAHO (máy di động hỗ trợ chuyển giao): Là kỹ thuật giảm tải tính toán quản lý lên tổng đài hoặc các bộ điều khiển chuyển giao,

A B

6dB6dB

15

phân việc đo mức và báo cáo mức tín hiệu nhận được từ các trạm cơ sở xung quanh cho chính máy di động.

Chuyển giao trong hệ thống người dùng có tốc độ chuyển động khác nhau: Điều này liên quan đến cấu hình các tế bào chồng phủ lên nhau có kích thước khác nhau nhằm quản lý các di động có tốc độ rất khác nhau. Người dùng di chuyển tốc độ chậm được phân sang hệ thống các tế bào kích thước nhỏ (đáp ứng nơi có mật độ người sử dụng cao). Người dùng di chuyển tốc độ cao được phân sang hệ tế bào kích thước lớn (giảm tần suất chuyển giao).

Hình 2 – 6: Phân vùng tế bào lớn kết hợp tế bào nhỏ (chồng cell)

2.5. Trung kế và cấp độ dịch vụ

2.5.1. Kênh chung

Kênh vô tuyến trong thông tin di động được sử dụng chung lần lượt cho nhiều người, giống trung kế tổng đài hữu tuyến. Nó chỉ được cấp phát khi có yêu cầu, do đó chỉ cần một số ít kênh mà vẫn phục vụ được khá nhiều người. “Đơn vị đo lưu lượng là Erlan”

“Lưu lượng (A): Là đại lượng đo phần thời gian sử dụng có ích trong 1 giờ.”

Ví dụ: Trong 1 giờ có 1 cuộc gọi kéo dài 30 phút. Ta nói lưu lượng cuộc gọi là 0.5 Erlan.

“Cường độ lưu lượng (Au): Diễn tả lưu lượng trung bình của người sử dụng.”

Ví dụ: Trong 1 giờ người gọi gọi cuộc gọi, mỗi cuộc gọi kéo dài trung bình H phút. Cương độ lưu lượng sử dụng là Au = H/60. Nếu U người sử dụng trong hệ thống giống nhau thì khi đó lưu lượng tổng cộng của cả hệ thống là A = U.Au.

Với 1 kênh truyền thì lưu lượng của 1 kênh luôn <= 1, tuy nhiên với hệ thống có nhiều kênh truyền thì lưu lượng hệ thống có thể lớn hơn 1.

2.5.2. Cấp độ dịch vụ

1

43

5

2

16

Bài toán lần lượt dùng chung kênh của nhiều người là bài toán xác suất dựa trên lưu lượng trung bình của cuộc gọi và xác suất truy cập của người sử dụng. Vào thời điểm đồng nhất trong ngày, trong tuần,… nhiều người cùng gọi một lúc dẫn đến số kênh truyền không đáp ứng được có thể làm cuộc gọi bị chặn.

“Cấp độ dịch vụ là chỉ số cho biết xác suất xảy ra cuộc gọi bị chặn vào lúc cao điểm là bao nhiêu”.

Ví dụ: Hệ thống có GOS = 2% tức là trong 100 lần người sử dụng tiến hành liên lạc có thể xẩy ra 2 lần cuộc gọi bị chặn (tổng đài báo hệ thống bị bận)

Erlan nêu ra công thức liên hệ 3 đại lượng: Cấp độ dịch vụ (GOS: xác suất cuộc gọi bị chặn), số kênh truyền C của hệ thống (số kênh cho 1 tế bào) và lưu lượng người sử dụng A (lưu lượng tổng cộng trong một tế bào) với 2 loại tổng đài.

2.5.3. Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B:

Các giả thiết bổ sung để xây dựng công thức là:

Không tính thời gian thiết lập cuộc gọi

Người có cuộc gọi bị chặn khi truy cập lần tiếp theo bình đẳng như những người truy cập khác

Số người truy cập tuân theo phân bố Poisson

Thời gian chiếm kênh của một cuộc gọi phân bố theo hàm mũ (E.e-t)

Có số hữu hạn kênh được sử dụng

Ta có công thức:

(2 – 8)

Ở đó C là số kênh trung kế

A là lưu lượng tổng cộng của hệ

Pr xác suất cuộc gọi bị chặn (GOS)

Có thể xây dựng mô hình người sử dụng hữu hạn kết quả nhỏ hơn kết quả tính được theo công thức này. Ta có thể tra theo kết quả theo hình 2 – 7.

Ví dụ 1:

Có bao nhiêu người dùng có thể được phục vụ với tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn có cấp độ GOS 5%0, nếu số kênh trong một tế bào của hệ thống là:

a. C = 1, b. C = 5, c. C = 10, d. C = 20, e. C = 100

Biết lưu lượng mỗi người dùng là 0.1 Erl

17

Giải:

Từ bảng trên ta có thể đưa ra được lưu lượng tổng cộng.

a. C = 1 Au = 0.1 GOS = 0.005

Ta có A = 0.005 suy ra tổng số người dùng là U = A/Au = 0.005/0.1 = 0.05 người, ta chọn U = 1

18

Hình 2 – 7: Giản đồ Erlang B

19

b. C = 5 Au = 0.1 GOS = 0.005


c. C = 10 Au = 0.1 GOS = 0.005


c. C = 10 Au = 0.1 GOS = 0.005


d. C = 20 Au = 0.1 GOS = 0.005

Ta có A = 11.1 suy ra tổng số người dùng là U = A/Au = 11.1/0.1 = 111 người, ta chọn U = 111

e. C = 100 Au = 0.1 GOS = 0.005

Ta có A = 80.9 suy ra tổng số người dùng là U = A/Au = 80.9/0.1 = 809 người, ta chọn U = 809

Ví dụ 2:

Một thành phố rộng 1300km2 được phủ sóng bởi hệ thống tế bào 7 ô lặp lại (N = 7). Với mỗi tế bào có bán kính là R = 4km. thành phố được cấp phát bẳng tần với động rộng băng tổng cộng là 40MHz phổ và độ rộng băng của một kênh đúp là 60KHz. Giả sử cấp độ dịch vụ là GOS = 2% theo công thức Erlang B với tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn và lưu lượng của mỗi khách hàng trung bình là 0.03 Erl. Tính

a. Số tế bào trong thành phố

b. Số kênh trên một tế bào

c. Lưu lượng cuộc gọi trên mỗi tế bào

d. Lưu lượng của toàn thành phố

e. Tổng số người có thể dùng theo GOS = 2%

f. Số người dùng trên một kênh của toàn thành phố

g. Số người dùng cùng một lúc nhiều nhất.

Giải:

a. Diện tích một tế bào là: (tế bào lục giác) = ( )

2.5981*R2 = 2.5981*(4)2 = 41.57 (km2)

20

Số tế bào trong thành phố là 1300/41.57 = 31 tế bào

b. Số kênh trên một tế bào là:

40000000/(60000*7) = 95 kênh (C)

c. C = 95, GOS = 0.02 ta có A = 84 Erlan/ tế bào

d. Lưu lượng của toàn thành phố

31*84 = 2604 Erlan

e. Mỗi người dùng 0.03Erlnên tổng số người có thể được phục vụ là:

U = A/Au = 2604/0.03 = 86600 người

f. Số người dùng trên một kênh là

86600/(7*95) = 130 người/ kênh

g. Số người dùng nhiều nhất cùng một lúc là:

95*31 = 2945 người

2.5.4. Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C:

Ở hệ thống này một cuộc gọi bị chặn sẽ được xếp hàng trong dãy những cuộc gọi bị chặn chờ được truy cập.

GOS lúc này sẽ là chỉ số cho biết khẳ năng một cuộc gọi bị chặn và phải chời trong một thời gian xác định.

Để tính GOS trước hết ta phải tính xác suất cuộc gọi bị chặn theo công thức Erlan C

(2 – 9)

Có thể tính hoặc là tra kết quả theo hình 2 – 8.

Sau đó nhân với xác suất chời t giây trong hàng đợi. Công thức cuối cùng là:

(2 – 10)

Thời gian chờ đợi trung bình của hệ thống sẽ là:

21

Hình 2 – 8: Bảng kết quả công thức Erlan C

22

Ví dụ:

Hệ tế bào lục giác trong có: N = 4 và bán kính tế bào R = 1.387 km.

Hệ được phân dải tần ứng với 60 kênh đúp. Nếu lưu lượng người dùng là 0.029Erl, và có 1 cuộc gọi/giờ. Với GOS là 5%.

a. Bao nhiêu người dùng/km2 được cung cấp bởi hệ này.

b. Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây.

c. Xác suất tổng cộng cuộc gọi phải chờ t = 10 giây.

Giải:

Với bán kính tế bào là R = 1.387 km diện tích tế bào là 5km2

N = 4 và tổng số kênh đúp là 60 kênh nên số kênh / tế bào = 60/4 = 15

a. Tra bảng Erlan C với GOS = 5% và C =15 ta có A = 8.8 Erl

Số người dùng trong một tế bào là 8.8/0.029 = 303 người

Số người dùng /km2 là 303/5 = 60 người/km2

b. cuộc gọi/giờ

H = Au/ =0.029 giờ = 104.4 giây

Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây là

Pr(chờ đợi > t / chờ đợi > 0) = exp( -(C – A).t/H)

= exp(-(15 – 8.8)*10/104.4 = 52.22 %

c. Với GOS = 5% xác suất tổng cộng mọt cuộc gọi phải chờ 10 giây là:

Pr(chờ đợi > 10s) = Pr(chờ đợi > 0).Pr(chờ đợi > 10s | chờ đợi > 0)

= 0.05*0.5522 = 2.78 %

2.5.5. Hiệu suất trung kế

Là lưu lượng sử dụng tính trung bình trên một kênh trung kế. Giá trị này phụ thuộc vào cách tổ chức thiết kế và cấp độ dịch vụ xác định.

Ví dụ:

10 kênh trung kế/tế bào với GOS = 1% (trường hợp tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chăn) khi tra bảng Erlan B ta thấy chúng đáp ứng lưu lượng cuộc gọi 4.46 Erlan (tương ứng lưu lượng một kênh là 0.446 Erl/kênh)

23

Nếu tổ chức kênh này trên 2 tế bào thì khi tra bảng ta thấy chúng chỉ đáp ứng được 2*1.36 Erl = 2.72 Erln (tương ứng 0.272 Erl/kênh). Cách tổ chức đầu có hiệu suất trung kế cao hơn cách tổ chức thứ 2 vơi cùng một GOS song khả năng chống nhiễu kém hơn.

2.6. Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào

Số lượng người sử dụng dịch vụ thông tin di động không ngừng tăng, đặt ra một yêu cầu phát triển nâng cao dung lượng hệ thống một cách có kế hoạt và tính kế thừa. Có ba kỹ thuật chính để nâng cao dung lượng hệ thống là: Chia nhỏ tế bào, sử dụng ăng ten định hướng và phân vùng trong tế bào.

2.6.1. Chia nhỏ tế bào

Là thay 1 tế bào lớn bị quá tải bằng các tế bào nhỏ hơn với các trạm cơ sở đặt thấp hơn và có công suất phát nhỏ hơn.

Dung lượng tăng thêm là do sử dụng lại kênh truyền. (kích thước nhóm N không đổi nhưng số lượng tế bào trong vùng phục vụ được tăng lên)

Ví dụ:

Nếu dùng tế bào có Rmới = ½.Rcũ khi đó sẽ có 4 tế bào mới thay thế tế bào cũ. Điều này làm số nhóm lặp lại tăng lên 4 lần và dung lượng tăng cũng xấp xỉ 4 lần mà vẫn giữ nguyên tỷ số lặp lại kênh (Q) không làm thay đổi sơ đồ phân bố kênh. Công suất phát của các tế bào mới trong hệ thống cũng phải điều chỉnh cho phù hợp.

Pr (tại biên tế bào cũ) =Pt1R-n = Pr (tại biên tế bào mới) = Pt2(R/2)-n

Với n = 4 ta có Pt2 = Pt1/16 hay trạm phát của tế bào mới phải giảm 12dB

Hình 2 – 9: Phân chia tế bào.

Trên thực tế, ta duy trì cả hai mô hình tế bào lớn và nhỏ để phục vụ các đối tượng chuyển động với tốc độ khác nhau và các kênh truyền cũng được phân thành 2 nhóm kích cỡ tế bào này để tránh giao thoa cùng kênh, kết hợp với kỹ thuật hạ thấp ăng ten để điều khiển vùng phủ sóng

24

2.6.2. Sử dụng ăng ten định hướng

Điều này sẽ dẫn đến giảm giao thoa cùng kênh cho phép các tế bào cùng kênh ở gần nhau hơn (giảm D/R hay giảm N, tăng sự lặp lại tần số) dẫn đến tăng dung lượng hệ thống trong khi kích thước tế bào không thay đổi

Ví dụ 1:

Sử dụng ăng ten định hướng có góc 1200 số trạm gây nhiễu cùng kênh xung quanh không phải là 6 như sử dụng ăng ten tròn mà chỉ là 2. S/I từ 17 dB sẽ tăng lên 24.2 dB nên có thể giảm N từ 12 đến 7. phương pháp này không thay đổi số trạm cơ sở mà chỉ tăng thêm số ăng ten trên một trạm cơ sở điều này cũng sẽ làm giảm phần nào hiệu suất trung kế và tăng thêm số lần chuyển giao.

Hình 2 – 10: Sử dụng ăng ten định hướng.

Ví dụ 2:

Xét hệ thống có thời gian trung bình cuộc gọi là 2 phút. Xác suất cuộc gọi bị chặn là 1%, theo công thức Erlan B mỗi tế bào có một cuộc gọi trong 1 giờ và có 399 kênh/7 tế bào. Khi dùng ăng ten tròn khả năng phục vụ là 44.2 Erl hay 1326 cuộc gọi/giờ. Nếu dùng ăng ten định hướng 1200 sẽ chỉ có 19 kênh/1 ăng ten với cùng xác suất bị chặn và trung bình cuộc gọi, mỗi ăng ten phục vụ 11.2 Erl tức là 336 cuộc gọi/giờ hay 1008 cuộc gọi/giờ trong 1 tế bào (giảm 24% so với ăng ten phát sóng tròn) trong khi đó lại nâng cao tỷ số S/I.

25

Ví dụ với ăng ten 600 với N = 7 sẽ cho S/I = 29 dB cho phép dùng N = 4 làm tăng dung lượng lên 7/4 lần (hiệu suất trung kế giảm 44%)

2.6.3. Phân vùng trong tế bào

Phương pháp sử dụng ăng ten định hướng làm tăng số chuyển giao và quá tải các phần tử chuyển mạch. Lee đã đưa ra giải pháp là thay trạm trung tâm lớn bằng một số trạm phát công suất thấp hơn phủ các vùng nhỏ hơn trong tế bào và các trạm này được kết nối về điều khiển chung ở một trạm cơ sở của tế bào.

Hình 2 -11: Chọn vùng trong tế bào.

Cách bố trí này tốt hơn như ở trên, chuyển giao không xẩy ra giữa các ăng ten trong cùng một tế bào mà chỉ thay đổi ăng ten quản lý khi MS di chuyển từ vùng này sang vùng khác trong một tế bào. Các kênh được phân chia động trong không gian và thời gian cho các vùng trong tế bào, còn giữa các tế bào thì lặp lại nhóm kênh như cũ.

Kỹ thuật này thường được dùng dọc theo các đường cao tốc hay các hành lang có lưu lượng lớn. (với S/I = 18 dB là đòi hỏi thông thường với hệ điều chế băng hẹp FM, với N = 7 thì D/R = 4.6, vận dụng điều này cho Dz/Rz = 4.6 để chống nhiễu cùng kênh giữa các vùng thì đối với tế bào tỷ số này cho D/R = 3, N = 3. Do vậy khi giảm N = 7 đến N = 3 sẽ tăng dung lượng hệ thống lên 7/3 = 2.33 lần).

26

Chương 3:

Mã hóa tiếng nói

Trong thông tin di động độ rộng dải tần có giá trị như hàng hóa, do đó bộ mã hóa tiếng nói đóng vai trò quan trọng không chỉ với chất lượng tiếng nói mà còn phải đảm bảo chiếm dụng ít băng tần với tốc độ bit thấp. Bộ mã hóa tốc độ bit thấp làm tăng dung lượng hệ thống là yêu cầu quan trọng của các nhà cung cấp dịch vụ. Các bộ mã hóa tiếng nói cơ bản được phân thành 2 loại chính là: Mã hóa theo dạng sóng và mã hóa nguồn (vocoder)

Hình 3 – 1: Phân loại mã hóa tiếng nói

Mã hóa dạng sóng: Là kỹ thuật mã hóa và giải mã liên tục bán theo dạng sóng của tín hiệu âm thanh, về nguyên tắc chúng được thiết kế độc lập với nguồn âm nên chất lượng không phụ thuộc vào nguồn tín hiệu. Kiểu mã này chống nhiễu tốt, không phức tạp, giá rẻ song hệ số nén tín hiệu chưa cao như PCM, ADPCM…

Mã hóa nguồn: Dựa trên sự mô phỏng nguồn âm cụ thể (tiếng nói được nghiên cứu trước các đặc tính để khai thác khả năng nén mã), kỹ thuật này khá phức tạp, có độ trễ cao, giá thành đắt bù lại có hệ số nén lớn và cho tốc độ bit mã hóa thấp.

Mã hoá tiếng nói

Mã hoá dạng sóng Mã hoá nguồn

Miền tần số Miền thời gian LPC Vocoders

Không vi phân Vi phân ATC SPC

PCM DELTA ADPCM

APC CVSDM

27

3.1. Các đặc trưng của tiếng nói

Tiếng nói có một số tính chất đặc thù có thể đựa vào đó để thiết kế bộ mã hóa đó là:

Dải tần giới hạn (<4 KHz), phổ tần không bằng phẳng, phân bố biên độ không đồng nhất, có sự tương quan khác 0 giữa các mẫu tiếng nói và tồn tại các khoảng lặng phi thoại trong khi nói chuyện. Tính chất đó như sau:

3.1.1. Hàm mật độ xác suất (pdf)

Hàm mật độ xác suất diễn tả sự phân bố biên độ trong tiếng nói, nó có dạng như sau

(3 – 1)

Hàm có giá trị lớn nhất khi biên độ x = 0 (ứng tiếng nói nhỏ và khoảng im lặng) và bằng không với biên độ vô cùng lớn. khi thống kê trong khoảng thời gian ngắn hàm có cực đại khác 0 và được xấp xỉ như phân bố Gauss. Dạng phân bố của hàm mật độ xác suất được sử dụng làm cơ sở cho kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến.

3.1.2. Hàm tự tương quan (AFC)

Một tính chất của tiếng nói là tồn tại sự tương quan khác 0 giữa các mẫu khi tiến hành lấy mẫu biên độ tiếng nói. Có nghĩa một mẫu trong tiếng nói chúng ta có thể dự đoán trước từ một số mẫu trước đó với một lỗi ngẫu nhiên nhỏ, tính chất này được ước lượng bởi hàm:

(3 – 2)

Trong đó x(k) biểu diễn mẫu tiếng nói thứ k, được lấy chuẩn với tiếng nói trong khoảng [-1, 1]. Thông thường C(0) = 1 và C(1) xấp xỉ 0.85 – 0.9.

3.1.3. Hàm mật độ phổ công suất (psd)

Hàm mật độ phổ công suất trung bình theo thời gian cho thấy các thành phần tần số cao chỉ chiếm một phần năng lượng nhỏ, các thành phần tấn số thấp chiếm năng lượng cao hơn. Đặc tính không bằng phẳng của hàm mật độ phổ công suất của tiếng nói tạo nên khả năng nén tín hiệu trong vùng tần số, bằng cách mã hóa với các hệ số khác nhau trong các khoảng tần số khác nhau. Bản chất không bằng phẳng này là biểu hiện tính chất tự tương quan trong vùng tần số.

Sự không bằng phẳng của phổ có thể đánh giá qua hàm SFM (như là tỷ số của trung bình số học/ trung bình hình học của các mẫu khi lấy mẫu psd).

28

( 3 – 3)

Ở đó Sk là mẫu tần số thứ k của psd. Thông thường tín hiệu tiếng nói trong thời gian dải có SFM = 8 và dao động từ 2 đến 500 trong khoảng thời gian ngắn.

3.2. Kỹ thuật lượng tử

Lượng tử là phép diễn tả một dải liên tục các giá trị của biên độ tín hiệu bằng một tập hữu hạn các giá trị biên độ rời rạc. Lượng tử tín hiệu sẽ làm méo tín hiệu trong phạm vi mà người thiết kế có thể định trước. Bộ lượng tử n bit có thể có L = 2 n mức biên độ rời rạc.

3.2.1. Lượng tử tuyến tính

Trong lượng tử tuyến tính các giá trị lượng tử phân bố đều trong toàn bộ tín hiệu, khoảng cách giữa hai giá trị gần nhau nhất được gọi là bước lượng tử. Độ méo tín hiệu lượng tử tỷ lệ với bình phương bước lượng tử, bước lượng tử tỷ lệ nghịch với số giá trị rời rạc. Méo lượng tử được tính là lỗi trung bình bình phương như sau:

(3 – 4)

Trong đó x(t) là biên độ tín hiệu được lấy mẫu tại thời điểm t, fQ(x) biểu diễn giá trị lượng tử gần x(t) nhất. Méo lượng tử (ồn lượng tử) và chất lượng của bộ lượng tử được đánh giá qua tỷ số công suất tín hiệu / ồn lượng tử (SQNR). Bộ điều chế xung mã (PCM) dùng phép lượng tử 8 bit / mẫu trong điện thoại thương mại. Nếu phép lượng tử là tuyến tính thì ta có công thức liên hệ như sau:

(SQNR)dB = 6.02n + (3 – 5)

Trong đó = 4.77 đối với giá trị đỉnh của SQNR và = 0 đối với SQNR trung bình. Từ phương trình trên ta thấy là cứ thêm một bit lượng tử thì SQNR được tăng thêm 6 dB.

3.2.2. Lượng tử phi tuyến

Méo lượng tử có thể được giảm thiểu nếu phân bố các giá trị lượng tử một cách thích hợp (không phải cách đều như lượng tử tuyến tính). Phân bố này dựa trên hàm pdf như sau:

(3 – 6)

29

Từ phương trình trên ta thấy méo trung bình có thể được giảm thiểu bằng cách giảm giá trị (x – fQ(x))2 tại những nơi có giá trị p(x) lớn. Tức các gía trị lượng tử phải ‘nhiều’ tại những vùng biên độ có xác suất cao (tiếng nói nhỏ), cón ‘ít’ tại những vùng biên độ có xác suất thấp (tiếng nói lớn).

Một phương pháp thường dùng trong điện thoại thương mại là bộ lượng tử Loga với hai kỹ thuật là luật dùng ở Mỹ và luật A dùng ở châu Âu. Tín hiệu trước hết được đi qua bộ khuếch đại “nén” (dạng hàm Loga) và sau đó đi vào bộ lượng tử tuyến tính.

Theo luật công thức của bộ lượng tử loga có dạng là:

(3 – 7)

Trong đó là hằng số dương có giá trị trong dải 50 – 300, giá trị đỉnh của w(t) được chuẩn hóa bằng 1.

Theo luật A công thức của bộ lượng tử loga có dạng là:

(3 – 8)

Trong đó A thường có giá trị là 87

3.2.3. Lượng tử thích nghi

Hình 3 – 2: Lượng tử thích nghi

Như đã nói ở trên là có sự khác nhau của pdf trong thời gian dài và thời gian ngắn đối với tiếng nói. Sự thay đổi theo thời gian của tiếng nói tạo nên một dải động lớn (cỡ 40 dB). Do vậy bộ lượng tử cần được điều chỉnh thích hợp bằng cách tăng bước lượng tử khi công suất tín hiệu lối vào tăng, và giảm khi công suất tín hiệu lối vào giảm (khi đó số mức lượng tử không thay đổi) ta gọi đó là lượng tử thích nghi.

30

3.2.4. Lượng tử véctơ

Trong phép lượng tử thông thường mỗi mẫu biên độ tương ứng với một giá trị lượng tử hay một tổ hợp bit để biểu diễn. Ở phép lượng tử véc tơ thì một nhóm mẫu biên độ ứng với một nhóm mẫu lượng tử mới được tương ứng với một tổ hợp bit được gọi là một véc tơ lượng tử trong không gian véc tơ lượng tử (với lượng tử thường số mẫu = 1). Số mẫu trong nhóm lượng tử được gọi là một véc tơ mẫu được lượng tử. Do tính chất tương quan giữa các mẫu trong tiếng nói mà phép lượng tử véc tơ tạo nên mã có độ nén cao với:

bit / mẫu (3 – 9)

Trong đó n là không gian lượng tử.

L là độ dài véc tơ lượng tử

R là số bit mã hóa trên một mẫu

Khi n = 256, L = 1, R = 8 bit / mẫu (ứng với PCM). Khi L = 10 – 12 có thể cho R = 0.5 bit / mẫu. lỗi lượng tử véc tơ được coi là khoảng cách Ơcơlit giữa véc tơ lượng tử và véc tơ lối vào. Được sử dụng cho bộ mã hóa nguồn âm có tốc độ bit thấp.

3.3. Các bộ mã hóa theo dạng sóng

3.3.1. Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)

Bộ điều chế PCM không loại bỏ sự dư thừa thông tin trong tín hiệu tiếng nói (do tính tương quan khác 0). Bộ ADPCM khai thác điều này để giảm tốc độ bit. Do có tính tự tương quan cao mà các mẫu biên độ cạnh nhau ít khi thay đổi lớn nên dải động trong tín hiệu vi phân nhỏ hơn nhiều dải động của bản thân tín hiệu. Mã hóa tín hiệu vi phân sẽ cho tốc độ bit chỉ là 32Kbps (=1/2 chuẩn PCM) với cùng chất lượng tín hiệu (khi giải mã dùng bộ tích phân).

Trên thực tế ADPCM được kết hợp với thuật toán tiên đoán tín hiệu, thay cho việc mã hóa sự sai khác giữa hai mẫu cạnh nhau là việc mã hóa sự sai khác giữa mẫu thật và mẫu dự đoán nó (dựa trên một nhóm các mẫu thật trước đó, sai khác này còn gọi là lỗi dự đoán).

31

Hình 3 – 3: Bộ mã hóa ADPCM

Ví dụ:

Một bộ mã hóa PCM thích nghi có tốc độ lấy mẫu là 8kHz, mỗi mẫu được biểu diễn bằng nhóm 8 bit. Bước lượng tử được điều chỉnh lại cứ sau 10ms và độ lớn của bước lượng tử được mã hóa bằng 5 bit. Tính tốc độ bit truyền, giá trị SQNR đỉnh và trung bình của bộ mã hóa

Giải:

fz = 8kHz = 8000 Hz

n = 8, số bit thông tin trên một giây là 8*8000 = 64000 bit/s

Do hiệu chỉnh bước lượng tử cứ sau 10ms nên tốc độ bit hiệu chỉnh là:

5*1/(10*10-3) = 500 bit/s

Tốc độ bit truyền của bộ mã hóa là 64000 + 500 = 64500 bit/s = 64.5 kbps

Tỷ số SQRN chỉ phụ thuộc vào số bit dùng để mã hoá một mẫu lượng tử:

SQNRđỉnh = 6.02n + 4.77 = 6.02*8 + 4.77 = 52.93 dB

SQNRTB = 6.02n = 6.02*8 = 48.16 dB

3.3.2. Bộ mã hóa sóng âm theo tần số

Mã hóa được tiến hành theo các vùng tần số. Phổ của tín hiệu tiếng nói được chia thành các dải hẹp hoặc biến đổi thành các tần số rời rạc và được mã hóa độc lập với nhau. Tùy theo mức độ quan trọng của các dải tần con hay tần số rời rạc mà số bit sử dụng mã hóa nhiều hay ít

Lượng tử 4 bit thích nghi

Tạo bước thích nghi

Lượng tử thích nghi ngượcDự đoán

thích nghi

Sr(k)

S(k)

y(k)Se(k)

I(k)

Dq(k)

32

3.3.2.1 Mã hóa theo băng con (SBC)

Phổ của tín hiệu được chia thành 4 đến 8 dải con bằng các bộ lọc. Các băng con được di chuyển biên trái về 0 để có thể dùng tốc độ lấy mẫu Nyquist ở trong miền thời gian và được lấy mẫu với số bít khác nhau phụ thuộc biên độ phổ và tiêu chuẩn thính giác của con người.

Ví dụ:

Băng con Tần số (Hz) Số bit mã hóa

1 225 – 450 4

2 450 – 900 3

3 1000 – 1500 2

4 1800 – 2700 1Tốc độ lấy mẫu được tính là mẫu / giây:

Băng 1 2 x (450 – 225) = 450

Băng 2 2 x (900 – 450) = 900

Băng 3 2 x (1500 – 1000) = 1000

Băng 4 2 x ( 2700 – 1800) = 1800

Từ đó dẫn đến tốc độ mã hóa chưa kể các thông tin tiêu đề là:

450x4 + 900x3 + 1000x2 + 1800x1 = 8300 bit/s = 8.3 kbps

3.3.2.2 Mã hóa biến đổi thích nghi

Mã hóa biến đổi thích nghi là kỹ thuật mã hóa trong miền tần số dùng phương pháp biến đổi. Có tốc độ mã hóa trong khoảng 9.6 – 20 kbps. Các mẫu tín hiệu trong một cửa sổ được biến đổi thành một tập các tần số rời rạc, biên độ của các tần số này được lượng tử và mã hóa riêng biệt để truyền đi. Tại bộ thu các hệ số lượng tử được biến đổi ngược để tạo lại tín hiệu ban đầu. Phương pháp này dùng biến đổi cosin rời rạc (DCT) theo công thức:

k = 0, 1, 2, …, N – 1 (3 –

10)

Trong đó g(0) = 1 và g(k) = , k = 1, 2, … IDCT được thực hiện theo công thức:

33

n = 0, 1, 2, …, N – 1 (3 – 11)

Trên thực tế DCT hay IDCT được tính theo thuật toán nhanh để đáp ứng thời gian thực tế và việc thiết kế bước lượng tử khác nhau ở các tần số khác nhau cũng được thực hiện theo thời gian được truyền như thông tin tiêu đề (cỡ 2 kbps) số bit lượng tử ở tần số rời rạc tỷ lệ với năng lượng của nó.

3.4. Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)

Kỹ thuật này dùng để tách các thông số của nguồn âm và mã hóa các thông số này truyền đến nơi thu. Tại nơi thu các thông số này được giải mã để điều khiển một nguồn âm tương tự như nơi phát để tái tạo lại tín hiệu. Các vocoder có tốc độ bit rất thấp nhưng phức tạp và phụ thuộc vào nguồn âm.

Cơ chế chung của một nguồn âm bao gồm có nguồn kích thích và bộ lọc thông minh và loa.

Tiếng nói của chúng ta được phân thành 2 loại:

Voiced là kết quả dao động gần tuần hoàn của cơ quan phát âm.

Unvoice được tạo nên bởi sự thổi khí qua khe hẹp của môi và lưỡi

Các thông số của mô hình này là các tần số chính (tần số pitch <300Hz), các giá trị đỉnh của bộ lọc thông minh có giá trị là 500Hz, 1500Hz, 2500Hz, 3500Hz và thống số biên độ tương ứng.

Hình 3 – 4: Mô hình nguồn phát âm

Nguồn ồn

Nguồn xung

Nguồn thứ cấp

Bộ lọc

cơ quan

phát âm

Lối ra

tiếng nói

Bộ phân tích

Lối vào tiếng nói

34

3.4.1. Vocoder kênh

Voceder kênh là hệ phân tích và tổng hợp âm đầu tiên trong vùng tần số. Nó xác định các thông số của tín hiệu trong các dải tần con, sau đó mã hóa và hợp kênh các dải lại. việc lấy mẫu được đồng bộ sau 10 – 30ms. Cùng với thông tin về năng lượng, voice hay unvoice, tần số pitch được truyền đi.

3.4.2. Vocoder hài

Tương tự với Voceder kênh song có thể làm tốc độ bit thấp hơn vì dùng ít tín hiệu điều khiển hơn. Thay vì việc gửi các mẫu đường bao phổ công suất thì Vocoder hài chỉ gửi các cực đại (peak, ít nhất là 3 đỉnh) của đường bao này có thể có tốc độ < 1200 bps song có khó khăn trong việc xác định chính xác các cực đại nên không thật sự hiệu quả.

3.4.3. Vocoder Cepstrum

Bộ Vocoder này tách phổ kích thích và phổ cơ quan phát âm bằng Fourier ngược của loga phổ biên độ để tạo nên Cepstrum của tín hiệu. Các hệ số tần thấp thể hiện trong Cepstrum là đường bao của phổ cơ quan phát âm. Các hệ số tần số cao tạo nên đoàn xung tuần hoàn là bội số của chu kỳ lấy mẫu. Bộ lọc tuyến tính dùng để tách các hệ số Cepstrum của cơ quan phát âm khỏi hệ số kích thích. Trong bộ thu các hệ số Cepstrum của cơ quan phát âm được biến đổi fourier để tạo nên đáp ứng tần số của cơ quan phát âm hoặc giữ nguyên được coi là đáp ứng xung của cơ quan phát âm. Bằng cách nhân chập đáp ứng xung này với một tín hiệu kích thích tổng hợp, tiếng nói ban đầu được tái tạo lại.

3.4.4. Vocoder kích thích bằng Voice

Vocoder kích thích bằng Voice không cần tách pitch và các thao tác tách voice khỏi tiếng nói. Nó thực hiện việc tổ hợp và truyền dẫn PCM ở băng tần thấp với Vocoder kênh ở băng tần cao hơn. Tín hiệu pitch được tạo nên tại bộ tổng hợp bằng cách tách sóng, lọc băng và cắt tín hiệu băng cơ sở tạo nên tín hiệu phổ bằng phẳng với năng lượng tại tài của pitch. Hoạt động ở tại tốc độ 7200 – 9600 bps. Chất lượng của chúng tốt hơn vocoder kích động băng pitch.

3.4.5. Các bộ mã dự đoán tuyến tính

3.4.5.1. Vocoder LPC

Đây là lớp các vocoder trong miền thời gian, chúng tách các đặc điểm quan trọng từ dạng sóng thời gian. Mặc dù khá phức tạp song chúng rất phổ biến trong các vocoder tốc độ thấp và có thể cho chất lượng tiếng nói tốt ở tốc độ 4.8kbps

Hệ LPC mô hình cơ quan phát âm như bộ lọc toàn điểm cực với hàm truyền được mô tả:

35

(3 – 12)

Ở đây G là hệ số khuếch đại, z-1 biểu diễn toán tử trễ đơn vị. Kích thích bộ lọc hoặc là xung tại tần số pitch là ồn trắng ngẫu nhiên tùy thuộc đoạn tiếng nói là voice hay unvoice. Các hệ số của bộ lọc được xác định dùng kỹ thuật dự đoán tuyến tính giống như trong bộ ADPCM. Song thay cho việc truyền các giá trị lượng tử của tín hiệu lỗi giữa mẫu tiên đoán và mẫy thực (ADPCM), hệ thống LPC truyền chỉ những đặc tính chọn lọc của tín hiệu lỗi đó là các thông số như: hệ số khuếch đại, tần số pitch, quyết định voice hay unvoice, cho phép xấp xỉ tín hiệu lỗi chính xác. Tại bộ thu các thông tin trên được dùng đểt ái tạo lại tín hiệu lỗi để kích thích bộ lọc tổng hợp. Còn bộ lọc tổng hợp tại bộ thu được điều khiển bởi các hệ số đự đoán nhận được. Trên thực tế nhiều bộ LPC phát các hệ số bộ lọc trong đó đã biểu diễn tín hiệu lỗi và có thể tổng hợp trực tiếp tại bộ thu.

Xác định hệ số dự đoán: tín hiệu dự đoán là một tổng có trọng số của p mẫu trước đó (p dài từ 10 – 15).

Hình 3 – 5: Sơ đồ chung của bộ mã hóa và giải mã

(3 – 13)

Ở đó en là lỗi dự đoán. Các hệ số dự đoán được xác định qua việc làm tối thiểu năng lượng trung bình E của tín hiệu lỗi:

(3 – 14)

Bộ đệm

Lọc LPC

Phân tích Pitch

Quyết định Voice/unvoice

Mã hóa Giải mã

Mã hóa

Mã hóa

Giải mã

Giải mã

K

ê

n

h

Tổng

Hợp

Kích thích

Lối vào

36

Với a0 = -1. Thường lỗi được tính trong cửa sổ 10ms tương ứng với N = 80. Cho vi phân của E theo am bằng 0 ta có:

(3 – 15)

Với Cm là hệ số tương quan giữa các mẫu r, m. Sau khi xác định Cm giải phương trình trên có thể xác định được các hệ số dự đoán. Các hệ số dự đoán thường không được mã hóa truyền đi trực tiếp (vì cần đến 8 -10 bit/hệ số) mà truyền các hệ số phản ảnh (chúng có dải động nhỏ hơn chỉ cần 6 bit / hệ số). Như vậy một bộ dự đoán bậc 10 tổng số bit dùng cho các thông số mô hình trên 1 frame là 72 (bao gồm 5 cho khuếch đại và 6 cho chu kỳ pitch). Nếu các thông số được ước lượng lại cứ sau 15 – 30ms thì tốc độ bit sẽ là 2400 – 4800 bps. Việc mã hóa các hệ số phản ảnh có thể được cải tiến khi dùng thêm các bộ biến đổi phi tuyến (đặt trước bộ mã hóa) sẽ làm giảm độ nhạy của các hệ số phản ánh đối với lỗi lượng tử. Chúng thường dùng là biến đổi tỷ số loga (LAR).

(3 – 16)

Các LPC khác nhau trong cách tạo ra tín hiệu lỗi tại bộ thu. Có 3 cách cơ bản: cách thứ nhất rất phổ biến dùng 2 nguồn kích thích tại bộ thu, một nguồn là ồn trắng và nguồn kia là đoàn xung có tốc độ pitch, việc chọn nguồn này hay nguồn kia kích thích phụ thuộc vào quyết định voice/unvoice của bộ phát. Kỹ thuật này gặp khó khăn trong việc tách thông tin về pitch ở bộ phát (ngoài ra sự đồng pha giữa các thành phần hài của xung kích thích tạo nên tiếng ù trong tiếng nói tổng hợp). Vấn đề này được loại bỏ trong 2 cách sau là kích thích bằng đa xung và kích thích bằng sách mã

3.4.5.2. LPC kích thích bằng đa xung

Việc kích thích bằng xung đơn/chu kỳ pitch luôn làm méo tín hiệu. Atal đã đề nghị dùng nhiều xung (8 xung/chu kỳ) và điều chỉnh vị trí và biên độ các xung này để tối thiểu lỗi trung bình bình phương được trọng số. Kỹ thuật này được gọi là MPE –LPC làm chất lượng tiếng nói tốt hơn không chỉ do lỗi dự đoán được xấp xỉ tốt hơn mà còn do nó không đòi hỏi tách pitch. Số xung có thể giảm với voive có pitch cao bằng cách kết hợp một bộ lọc tuyến tính với vòng pitch trong bộ tổng hợp.

37

3.4.5.3. LPC kích thích bằng mã (CELP)

Ở phương pháp này bộ mã hóa và giải mã có chung một sách mã những tín hiệu kích thích ngẫu nhiên (ồn trắng Gauss). Với mỗi tín hiệu tiếng nói bộ phát sẽ tìm trong sách mã tín hiệu kích thích lên bộ lọc LPC cho tín hiệu gần giống nhất, sau đó chỉ việc truyền chỉ số của tín hiệu kích thích này đến bộ thu. Dựa vào chỉ số này bộ thu sẽ tìm ra tín hiệu kích thích thích hợp. Bộ mã hóa theo kỹ thuật này đòi hỏi hơn 500 triệu phép tính nhân và cộng / giây. Chúng có thể cho chất lượng tiếng nói cao với việc kích thích được mã hóa 0.25 bit / mẫu và có tốc độ 4.8 kbps

Hình 3 – 6: Bộ mã hóa CELP

Ví dụ:

Xét việc mã hóa cụm 5 ms của tiếng nói. Tại tần số lấy mẫu 8 KHz mỗi cụm có 40 mẫu, với việc mã hó ¼ bit / mẫu sẽ cho chúng ta 10 bit / cụm. Vì vậy sẽ có 210 = 1024 các dãy dài 40 mẫu có thể. Mỗi dãy 40 mẫu của tín hiệu kích thích được lấy chuẩn lại và cho đi qua bộ lọc đệ quy tạo ra chu kỳ voice và hiệu chỉnh đường bao phổ.

Những mẫu tiếng nói được phát lại tại lối ra bộ lọc thứ 2 được so sánh với tín hiệu tiếng nói nguyên bản để tạo nên tín hiệu vi phân (lỗi). Lỗi này được xử lý qua bộ lọc tuyến tính với hệ số khuếch đại cao ở tần số thụ cảm mạnh, và khuếch đại nhỏ ở tần số thụ cảm thấp. Mặc dù đòi hỏi tính toán nhanh song tiến bộ của DSP và công nghệ VLSI đã tạo ra ứng dụng thời gian thực của CELP. (hệ CDMA theo chuẩn IS – 95 đã sử dụng CELP tại tốc độ 1.2 – 14.4 kbps. Năm 1995 Qual.com đề ra QCELP13 là bộ mã hóa CELP 13.4 kbps hoạt động trên kênh 14.4 kbps.)

3.4.5.4. LPC kích thích bằng lỗi (RELP)

Cơ sở của RELP liên quan đến kỹ thuật DPCM trong mã hóa dạng sóng. Trong loại PLC này, sau khi ước lượng các thông số mô hình (hệ số LP hay các thông số liên hệ), các thông số kích thích (quyết định voice/unvoice, pitch, hệ số khuếch đại) từ một khung tiếng nói. Tiếng nói được tổng hợp lại tại bộ phát và trừ đi tín hiệu gốc để có tín hiệu lỗi.

+ + +

Bộ dự đoán Bộ dự đoán

Lọc thụ cảm

Mạchbình phương

Mạchtrung bìng

Lỗi thụ cảm

Nguồn kích thích

Lỗi

Tiếng nói nguyên bản

38

Tín hiệu lỗi được lượng tử, mã hóa và phát đến bộ thu cùng với các thông số LPC. Tại bộ thu tín hiệu lỗi được cộng với tín hiệu tổng hợp. Chất lượng tiếng nói được nâng cao nhờ việc cộng thêm tín hiệu lỗi.

Hình 3 – 7: Bộ mã hóa RELP

3.5. Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động

Các thống số cần được xem xét là:

- Chất lượng cảm thụ tiếng nói khi dùng mã nén

- Giá thành và dung lượng hệ thống

- Ngoài ra còn phải tính đến độ trễ của bộ mã hoá, độ phức tạp của thuật toán

- Yêu cầu công suất nguồn, sự cạnh tranh của các tiêu chuẩn khác.

- Khả năng chống nỗi trên đường truyền.

Nói chung khi tiếng nói được mã hoá thành ít bít, lượng thông tin trên mỗi bit sẽ tăng lên dẫn đến cấp độ bảo vệ nó trên đường truyền lại phải tăng lên. Việc bảo vệ cũng còn được phân biệt tuỳ theo vai trò quan trọng của từng bit trong khung tiếng nói.

Lựa chọn bộ mã hoá cũng phụ thuộc vào kích cỡ tế bào. Khi kích thước tế bào nhỏ có thể sử dụng các bộ mã hoá tốc độ cao (vì hiệu suất sử dụng phổ cao và không cần nhiều bit bảo vệ trên đường truyền). CT2 và DECT dùng cho tế bào rất nhỏ (Microcell) có thể sử dụng bộ mã hoá ADPCM 32kbps mà không cần mã kênh và bộ cân bằng. Các tế bào lớn thì điều kiện kênh truyền kém nên cần dùng thêm các mã sửa lỗi khi đó cần dùng các bộ mã hoá có tốc độ thấp.

Kỹ thuật đa truy cập trong hệ thống cũng là nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng phổ và do vậy cũng được tính đến khi lựa chọn bộ mã hoá tiếng nói. Hệ tế bào số US – TDMA làm tăng dung lượng của hệ tương tự cùng tồn tại (AMPS) lên 3 lần dùng bộ mã hoá VSELP 8kbps. Hệ CDMA do khă năng giao thoa tốt và băng truyền rộng cho

Bộ đệm/

cửa sổ

+

Mã hóa

Phân tích ST - LP

Tổng hợp LPC

Tham số LP

Lỗi

Lối ra mã hóa

Quyết định voice/unvoice, khuếch đại

pitch

-

+

39

phép dùng bộ mã hoá tốc độ thấp mã vấn không bị ảnh hưởng lỗi đường truyền khi dùng thêm mã hiệu chỉnh lỗi.

Kỹ thuật điều chế cũng được xem xét khi lựa chọn bộ mã hoá tiếng. Khi dùng điều chế có hiệu suất băng cao có thể giảm yêu cầu tốc độ thấp đối với bộ mã hoá tiếng.

Ví dụ 1:

Hệ di động có dải kênh phát thuận từ 810 - 826 MHz và dải kênh phát ngược là 940 – 956 MHz, giả sử rằng có 90% độ rộng băng dành cho kênh lưu lượng, hệ yêu cầu hỗ trợ 1150 cuộc gọi cùng một lúc dùng kỹ thuật FDMA, sơ đồ điều chế có hiệu suất phổ là 1.68bps/Hz. Kênh truyền đòi hỏi dùng mã sửa lỗi FEC ½. Tìm giới hạn trên về tốc độ của bộ mã tiếng.

Giải:

Độ rộng băng thông dành cho lưu lượng là: 0.9*(826 – 810) = 14.4 MHz

Số người dùng đồng thời cực đại là 1150 người nên độ rộng cực đại là 14.4/1150 = 12.5 kHz.

Hiệu suất phổ là 1.68bó/Hz nên tốc độ kênh cực đại là:

16.8*12500 = 21kbps

FEC ½ nên tốc độ dữ liệu thực sự là 21 * 1/2 = 10.5 kbps

Vậy tốc độ mã hóa tiếng phải chọn thấp hơn tốc độ này

Ví dụ 2:

Bộ mã hóa có số lượng bit phân bố theo vai trò quan trọng đóng góp vào chất lượng tín hiệu. Mã hóa tiến hành trên đoạn 20 ms (260 bit lối ra bộ mã hóa). 50 bit đầu (loại 1) là quan trọng nhất được bảo vệ CRC 10 bit và FEC 1/2. 132 bit tiếp theo (loại 2) bảo vệ CRC 5 bit và 78 bit cuối không được bảo vệ lỗi. Tính tốc độ dữ liệu kênh tổng cộng đạt được.

Giải:

Số bit kênh cho loại 1 là (50 + 10)*2 = 120 bit

Số bit kênh cho loại 2 là: 132 + 5 = 137 bit

Số bit kênh cho loại 3 là: 78 bit

Tổng số bit được truyền trong 20 ms là: 120 + 137 + 78 = 335 bit

3.6. Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói

Có 2 cách đánh giá một bộ mã hoá tiếng nói trong việc cung cấp chất lượng tiếng nói.

40

- Các phép đo khách quan cung cấp một giá trị định lượng về mức độ tái tạo tiếng

nói và xấp xỉ tín hiệu gốc. MSE theo biên độ cho méo biên độ, MSE theo tần số

được trọng số. SNR từng đoạn các chỉ số rõ ràng.

- Cảm nhận chủ quan của người nghe. Trong khi các chỉ số khách quan rất có ích

cho thiết kế ban đầu và mô phỏng thì sự đánh giá tổng hợp cuối cùng lại cần đến

sự cảm nhận chủ quan của người nghe.

Bộ mã hoá phụ thuộc nhiều vào người nói, các phép thử chủ quan được tiến hành trong các môi trường khác nhau mô phỏng giống cuộc sống thực như tiếng ồn, nhiều người nói… Phép thử DRT là phép đo dễ hiểu của nhiều người dùng được sử rụng rộng rãi. Trong phép thử những từ cùng vần được sử dụng như là “those – dose” được sử dụng để thử xem khả năng phân biệt của người nghe. Độ chính xác trong phép thử này là 75 – 90%.

Một phép đo khác cũng được chấp nhận là DAM. Các phép thử nói chung là khó xếp hạng vì đòi hỏi phải có hệ tham chiếu. Hệ thống xếp hạng phổ biến hiện nay là MOS.

Một vấn đề khó khăn nhất cho bộ mã hoá khi truyền từ MS đến trạm cơ sở BTS sau đó giải điều chế thành tín hiệu tương tự. Lối ra được mã hoá truyền đi như tín hiệu số qua đường dây dẫn hay vô tuyến. Tình huống này gọi là tín hiệu Tandem, có có xu hướng thổi phồng lỗi bit nhận được tại trạm cơ sở. Tín hiệu Tandem gây khó khăn cho bảo vệ song là một tiêu chuẩn đánh giá quan trọng chất lượng mã hó. Khi mạng di động tăng trưởng, sẽ có nhiều yêu cầu gọi từ di động tới di động, kiểu liên lạc này sẽ có 2 nguồn ảnh hưởng độc lập đến chất lượng tiếng nói, ồn và Tandem.

41

Chương 4:

Cân bằng – Phân tập – Mã kênh

Liên lạc bằng sóng điện từ ngoài ưu điểm thích hợp cho người dùng di động, không phải chi phí nhiều cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng thì lại có khó khăn là tín hiệu có tốc độ lỗi bit cao đối với bất kỳ kỹ thuật điều chế nào. Bên cạnh tính suy giảm sóng theo đường truyền, tạp nhiễu AWGN, còn có méo tín hiệu, đó còn chưa kể đến nguồn gây nhiễu bất thường khác. Do đó đã xuất hiện nhiều kỹ thuật sử lý tín hiệu để đảm bảo việc truyền dẫn thông tin được chính xác, có các kỹ thuật dưới đây.

4.1. Giới thiệu chung

Cân bằng, phân tập, mã kênh là 3 kỹ thuật có thể dùng độc lập hay phối hợp để cải thiện chất lượng tín hiệu nhận được khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến.

Cân bằng sẽ khử giao thoa giữa các tín hiệu (ISI) gây ra do hiệu ứng đa đường và độ rộng phổ của kênh truyền hẹp hơn dải rộng tín hiệu bị trải dài ra và chồng so le lên nhau, đó là trở ngại chính hạn chế tốc độ kênh truyền. Bộ cân bằng trong máy thu có nhiệm vụ sửa lại dạng tín hiệu thu được cho giống tín hiệu trước khi truyền để cải thiện tốc độ đường truyền, đó là yêu cầu rất cao trong các bộ thông tin hiện đại. Do kênh truyền thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên nên tính chất quan trọng của bộ cân bằng là phải thích nghi được theo kênh truyền.

Phân tập là kỹ thuật nhằm khai thác tính đa đường độc lập của kênh truyền để nâng cao tỷ số tín / tạp mà không đòi hỏi tăng công suất của máy phát. Nếu kỹ thuật cân bằng coi hiệu ứng đa đường là đối thủ thì phân tập lại coi nó là đồng minh. Phân tập có thể theo không gian, tần số và cực tính của tín hiệu. Khi phân tập theo không gian kỹ thuật này thường đòi hỏi dùng nhiều anten thích hợp cho bộ thu trạm cơ sở, khi anten này thu tín hiệu yếu thì ở anten kia có thể thu được tín hiệu mạnh cải thiện được tín hiệu thu tổng hợp.

Mã kênh là kỹ thuật chuyển đổi trước dòng dữ liệu tại bộ phát (khác với các kỹ thuật khác là tiến hành ở bộ thu) nhằm tạo nên một quy luật nào đó. Tại bộ thu quy luật này được kiểm tra để phát hiện lỗi gây nên bởi đường truyền và tùy theo cấp độ mà nó có thể hiệu chỉnh được lỗi này. Giá phải trả cho kỹ thuật này là giảm tốc độ thông tin vì phải tăng thêm nhiều bit truyền, mã kênh có bậc càng cao thì tốc độ thông tin càng giảm. Có hai kỹ thuật mã kênh chính là Mã khối và Mã xoắn:

Mã khối tiến hành trên từng khối xác định của dữ liệu

42

Mã xoắn tiến hành liên tục theo dòng dữ liệu

Tùy theo yêu cầu của hệ thông tin cụ thể mà 3 kỹ thuật trên được sử dụng với mức độ khác nhau.

4.2. Cơ sở của kỹ thuật cân bằng thích nghi

Bộ cân bằng thích nghi sử dụng một dãy thử nghiệm chiều dài cố định được biết trước (thông thường là một dãy giả ngẫu nhiên)để tại bộ thu dựa vào đó hiệu chỉnh lại tín hiệu sau đường truyền. Dãy thử nghiệm được phát xen kẽ với dữ liệu ở nơi phát.

Tại nơi thu dãy thử nghiệm được biết trước ban đầu. Một thuật toán được sử dụng để hiệu chỉnh lại dãy thu được nhằm làm cho sự khác biệt với dãy biết trước là tối thiểu. Khi hiệu chỉnh xong méo kênh coi như đã được bù trừ và ngay sau đó có thể truyền một đoạn dữ liệu qua với sự giữ nguyên hiệu chỉnh này. Do kênh liên tục biến đổi nên ngay sau đoạn dữ liệu lại đến dãy thử nghiệm để liên tục hiệu chỉnh méo kênh.

Hình 4 – 1:Mô hình cân bằng kênh.

Thông thường bộ cân bằng là một bộ lọc ngang rời rạc hữu hạn, tín hiệu lối vào tại thời điểm k ký hiệu là yk, các tín hiệu trước đó lưu giữ trong các thanh ghi là yk-1, yk-2, … yk-N. Tín hiệu lối ra phụ thuộc trạng thái tín hiệu này và phụ thuộc vào các hệ số hiệu chỉnh (trọng số) tương ứng tại thời điểm k.

Điều chế Bộ phát Kênh Radio

Bộ thu RFTầng IFBộ tách

Quyết địnhBộ cân bằng

Tín hiệu được tạo lại d(t)

Tín hiệu băng cơ sở x(t)

Σ

+nb(t)

y(t)(t)

e(t)

+

ồn tương đương

43

Hình 4 – 2: Bộ cân bằng thích nghi

Ký hiệu véc tơ lối vào (dãy tập dượt nhận được tại bộ thu sau khi qua đường truyền) tại thời điểm k là: Yk = [yk, yk-1, yk-2, …, yk-N]T

Véc tơ trọng số hiệu chỉnh là: Wk = [w0k, w1k, w2k, …, wNk]

Lối ra của bộ cân bằng tại thời điểm k khi đó được biểu diễn:

(4 – 1a)

Dùng ký hiệu đại số véc tơ có thể viết:

= YkT.Wk = Wk

T.Yk (4 – 1b)

So sánh với tín hiệu tập dượt đã biết trước đó với tín hiệu nhận được đã được hiệu chỉnh lại, có một sai số (lỗi) là:

ek = xk - = xk - YkT.Wk = xk - Wk

T.Yk (4 – 2)

Bình phương lỗi là:

ek2 = xk

2 + WkT.Yk.Yk

T.Wk - 2xk.YkT.Wk (4 – 3)

Lấy trung bình bình phương lỗi theo thời gian ta có:

E[ek2] = E[xk

2] + WkT.E[Yk.Yk

T].Wk – 2E[xk.YkT].Wk

Chú ý rằng các trọng số Wk có thể rút ra ngoài trung bình theo thời gian (vì không thay đổi trong lúc này).

yk yk-1 yk-2 yk-NZ-1 Z-1 Z-1

W0

k

W1

k

W2

k

WNk

-+xk đã biết

Lối ra của bộ cân bằng

Lỗi ekThuật toán thích nghi cập nhật trọng số

44

Kỹ hiệu: P = E[xk.YkT] = E[xkyk, xkyk-1, xkyk-2, …, xkyk-N]T (4 – 4)

Là véc tơ tương quan chéo giữa tín hiệu mong muốn (dãy tập dượt nguyên bản) và tín hiệu nhận được khi chưa hiệu chỉnh.

Ký hiệu: R = E[Yk.Yk*] =

(4 – 5)

Là ma trận tương quan lối vào, phương trình trung bình bình phương lỗi được viết là:

E[ek2] = E[xk

2] +WT.R.W – 2PT.W (4 – 6)

Lấy đạo hàm trung bình bình phương lỗi theo véc tơ trọng số và cho bằng 0 (zero), ta có phương trình.

Hay véc tơ trọng số tối ưu là gọi là phương trình Wiener

Đây chính là cơ sở cho thuật toán tính trọng số của bộ lọc nhằm hiệu chỉnh tín hiệu nhận được gần sát với tín hiệu thử kênh biết trước

Lỗi tối thiểu của bộ cân bằng được viết lại là:

Emin = MMSE = E[xk2] – PT .R-1 .P = E[xk

2] – PT. (4 – 7)

Trên thực tế việc tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi (MMSE) được thực hiện đệ quy bằng thuật toán đạo hàm ngẫu nhiên. Thuật toán còn được gọi là tối thiểu trung bình bình phương (LMS), đây là thuật toán cân bằng đơn giản nhất, nó chỉ cần 2N + 1 phép toán trong một bước tính đệ quy. Các hệ số của bộ lọc được cập nhật theo các phương trình dưới đây với biến n là kỹ hiệu bước tính đệ quy:

Với N là số tầng làm trễ trong bộ cân bằng và là cỡ bước điều khiển tốc độ hội tụ và sự ổn định của thuật toán.

Bộ cân bằng LMS làm cực đại tỷ số tín hiệu trên méo với một độ dài bộ lọc hạn chế. Nếu tín hiệu thu được có đặc tính phân tán thời gian lớn hơn thời gian trễ trong bộ

45

lọc thì bộ lọc cân bằng không thể làm giảm méo. Tốc độ hội tụ trong LMS là lâu vì chỉ có một tham số điều khiển tốc độ thích nghi . Để đảm bảo sự thích nghi không trở thành sự mất ổn định, giá tị phải chọn sao cho

Ở đó là trị riêng thứ i của ma trận hiệp biến RNN. Vì

Cỡ bước có thể được điều khiển bởi tổng công suất lối vào để tránh sự mất ổn định trong bộ cân bằng.

Các tiêu chuẩn cần chú ý trong bộ cân bằng là: độ dài bộ lọc, khả năng hội tụ và tốc độ hội tụ.

4.3. Cơ sở của kỹ thuật phân tập (tổ hợp tỷ số cực đại)

Giả sử có các tín hiệu ri (i = 1, 2, …, M) thu được từ M đường truyền độc lập được xử lý có trọng số tạo nên tín hiệu tổ hợp

rM = (4 – 8)

Và giả sử mỗi đường truyền có công suất ồn trung bình giống nhau là N thì công suất ồn của tín hiệu tổ hợp sẽ là:

NT = N (4 – 9)

Tỷ số công suất tín hiệu trên ồn của tín hiệu tổ hợp là:

(4 – 10a)

Dùng bất đẳng thức Chebysep, cực đại khi Gi = ri/N dẫn đến:

(4 – 10b)

Nói cách khác trọng số tổ hợp phải tỷ lệ với độ lớn tín hiệu lối vào của kênh để tỷ số tín hiệu / ồn của kênh tương ứng ta thu được tín hiệu tổ hợp cực đại.

4.3.1. Phân tập thu:

46

Các kỹ thuật phân tập thu được sự dụng để giảm ảnh hưởng của pha đinh và cải thiện

độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát hoặc độ rộng băng tần.

Ý niệm căn bản của thu phân tập là nếu thu hai mẫu tín hiệu độc lập, thì các mẫu này

sẽ bị pha đinh không tương quan. Điều này có nghĩa là xác suất tất cả các mẫu này đồng

thời thấp hơn một mức nhất định thấp hơn nhiều so với xác suất của một mẫu riêng lẻ.

Như vậy nếu ta kết hợp các mẫu này một cách thích hợp thì ta sẽ được tín hiệu tổng hợp

ít bị ảnh của pha đinh hơn nhiều so với một tín hiệu đơn lẻ. Hiện có nhiều kiểu phân tập

khác nhau: thời gian, tần số, không gian, góc, nhiều tia và phân cực.

Trong thực tế các kỹ thuật phân tập thu có thể được áp dụng hoặc ở BS hoặc ở MS

mặc dù mọi kiểu ứng dụng đều có các đặc trưng riêng. Thông thường máy thu phân tập

chỉ được sử dụng ở trạm gốc. Vì giá thành của bộ kết hợp phân tập cao, nhất là khi sử

dụng nhiều máy thu. Ngoài ra công suất máy phát của MS bị giới hạn bởi tuổi thọ của

acqui. BS có thể tăng công suất phát hoặc độ cao anten để cải thiện diện phủ sóng cho

MS. Thông thường các hệ thống phân tập được thực hiện ở máy thu chứ không ở máy

phát vì không cần thêm năng lượng cho hệ thống phân tập thu. Do tính đảo lẫn giữa

đường truyền lên và xuống, nên các hệ thống phân tập thực hiện ở MS cũng giống như

các hệ thống phân tập ở BS.

4.3.2. Các dạng phân tập:

Có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: thời gian, tần số, không gian, đa đường và

phân cực. Để tận dụng được toàn bộ lợi ích của phân tập, cần phải thực hiện kết hợp ở

phía thu. Các bộ kết hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ và pha cho

các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu vào phải được cộng theo vectơ còn tạp âm

cộng ngẫu nhiên. Như vậy khi lấy trung bình tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR đầu ra sẽ lớn

hơn đầu vào ở môt máy thu.

1) Phân tập vĩ mô

2) Phân tập vi mô

Phân tập không gian

Phân tập tần số

Phân tập phân cực

Phân tập thời gian

47

4.3.3. Phân tập phát

Cũng giống như phân tập thu, phân tập phát dựa trên ý niệm là phía phát sẽ phát đi

các mẫu tín hiệu không tương quan để các mẫu này sẽ bị pha đinh không tương quan ở

phía thu. Phân tập phát cho phép giảm tỷ số Eb/It yêu cầu hay công suất phát yêu cầu trên

kênh và nhờ vậy tăng dung lượng hệ thống. Có thể thực hiện phân tập phát theo các cách

sau.

1) Phân tập phát đa sóng mang (Multicarrier Transmit Diversity)

2) Phân tập phát trực giao

3) Phân tập phát không gian - thời gian (STTD)

Sơ đồ khối của hệ thống phân tập phát không gian và thời gian dược cho ở hình 4 – 3

Hình 4 - 3. Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát không gian và thời gian (STTD)

4) Phân tập phát chuyển mạch thời gian (TSTD)

Phân tập phát phân chia thời gian

Sơ đồ khối của phân tập phát chuyển mạch phân chia thời gian được thể hiện trong

hình 4 – 4. Trong sơ đồ phân tập này,chuyển mạch thực hiện chọn anten phát để được

một trong hai đường truyền.Tín hiệu được chuyển mạch hoặc theo một mẫu được quyết

định ở BS hoặc theo chất lượng tín hiệu thu được từ MS.

Bộ mã STTD

MUX

Đan xen

Mã hoá kênh

phối hợp tốc độ

MUX

Mã định kênh và mã ngẫu nhiên dài

Hoa tiêu phân tập

Tx anten 1

Hoa tiêu

TPC

Tx anten 2

48

Hình 4 - 4. Sơ đồ hệ thống phân tập phát chuyển mạch phân chia thời gian

Sơ đồ phân tập phát chọn lựa giống như sơ đồ ở hình 2.22,tuy nhiên ở đây chuyển

mạch được điều khiển bởi tín hiệu lựa chọn anten phát nhanh (AS) được phát đi từ MS

trong thời gian chuyển giao.Giá trị của bit AS được xác định trên cơ sở đo ở kênh vật lý

điều khiển chung(CCPCH) phát đi từ anten được xét.

4.3.4. Bộ thu RAKE

Trong máy thu RAKE để nhận được các phiên bản dịch thời của chuỗi ngẫu nhiên, tín hiệu thu phải đi qua đường trễ trước khi được lấy tương quan chéo và được kết hợp.

Trong hệ thống trải phổ CDMA tín hiệu được trải phổ bằng dãy giả ngẫu nhiên. Dãy giả ngẫu nhiên này có tương quan thấp khi lệch nhau hơn 1 chíp. Do vậy nếu các thành phần đa đường có thời gian trễ lệch nhau lớn hơn 1 chíp thì khi bộ tương quan tại nơi thu bắt đồng bộ với 1 đường truyền, tín hiệu ở đường truyền kia do tương quan thấp sẽ biểu hiện như là ồn mà không cộng vào làm méo tín hiệu như kỹ thuật băng hẹp thông thường, do đó có thể không cần dùng đến bộ cân bằng. Do tính chất này mà bộ thu RAKE dùng 3 bộ tương quan bắt đồng bộ với 3 đường truyền trễ khác nhau rồi sau đó khai thác tính phân tập về mặt thời gian của 3 tín hiệu thu được bằng cách hiệu chỉnh pha và tổ hợp lại. Lối ra của mối bộ tương quan được trọng số theo độ mạnh của tín hiệu để cực đại tín hiệu tổng hợp.

MUX

MUX

Đan xen

Mã hoá kênh

phối hợp tốc độ Mã định kênh và mã ngẫu nhiên dài

Hoa tiêu

TPC

Chuyển mạch

Tx Anten1

Tx Anten2

49

Hình 4 – 5: Bộ thu RAKE

4.3.5. Ghép xen (interleaving)

Ghép xen là một cách chủ động tạo ra sự phân tập về thời gian ở ngay bộ phát mà không mất thêm tổng phí nào. Kỹ thuật này phát triền mạnh ở điện thoại di động thế hệ 2 khi bộ mã hóa tiếng nói được số hóa. Lối ra của bộ mã hóa tiếng có một dãy các bit quan trọng cần phải phân tán chúng hoặc xắp xếp lại về mặt thời gian để nếu có can nhiễu hoặc suy giảm mạnh chúng không bị ảnh hưởng cùng một lúc. Có 2 cách ghép xen là ghép xen khối và ghép xen xoắn.

Ghép xen khối là việc đưa dữ liệu (từng khối n x m bit) vào một bảng chữ nhật (m hàng và n cột) theo cách điền đầy từng cột sau đó lại đọc ra lần lượt theo hàng (hình vẽ), các bit quan trọng khi đó sẽ được tách biệt nhau bằng m bit. Tại bộ thu giải ghép xen sẽ làm tác động ngược lại và điền vào theo hàng và đọc ra theo cột.

Hình 4 – 6: Bảng ghép xen

r(t) hay tín hiệu CDMA đa đường

Bộ tương quan 1

Bộ tương quan 2

Bộ tương quan M

Z1

Z2

ZM

Z’ Z m’(t)><

T

dt0

(*)

Đọc vào theo cột

Đọc ra theo hàng

n cột

m hàng

m + 11 ----------------

m + 22 ----------------

----------------

2mm ---------------- n*m

50

Ghép xen xoắn được thực hiện theo một thuật toán liên tục và thích hợp khi sử dụng mã xoắn. ghép xen luôn đi kèm hiện tượng trễ vì phải đợi n.m bit thì mới ghép hay giải ghép xen. Do tiếng nói chỉ cho phép trễ tối đa 40ms nên độ trễ của các bit ghép xen không được vượt quá giá trị này.

4.4. Mã kênh

4.4.1. Các vấn đề cơ bản của mã kênh

Tác động của kênh truyền lên tín hiệu có thể được coi là xác định như: suy giảm, méo tuyến tính hoặc phi tuyến, hoặc không xác định như: ồn cộng tính, suy giảm đa đường…. Vì tác động xác định có thể coi là trường hợp riêng của thay đổi ngẫu nhiên, nên do đó mô hình toán của truyền thông là sự phụ thuộc ngẫu nhiên gữa lối vào và ra của kênh.

Trong điều kiện kênh truyền có gây lỗi với một xác suất nào đó, có thể làm giảm xác suất lỗi này bằng cách biến đổi trước bản tin được truyền. Cách biến đổi bản tin nhằm cải thiện độ tin cậy của việc truyền tin qua kênh gọi là mã kênh.

Để đơn giản ta xét kênh truyền đối xứng nhị phân. Đó là kênh mà xác suất làm sai lệch 1 thành 0 bằng sai lệch 0 bằng 1 tức là:

p(y = 0 | x = 1) = p(y = 1 | x = 0) =

Hình 4 – 7: Mô hình kênh đối xứng nhị phân

Qua kênh này thay cho việc truyền bít 0 và 1 ta truyền một nhóm n bit toàn 0 và một nhóm n bit toàn 1 (n là số lẻ). Bộ giải mã ở đây là theo đa số: Nếu nhóm nhận được có nhiều số 0 hơn sẽ quyết định là 0 hoặc nhóm nhận được có nhiều số 1 hơn sẽ quyết định là 1. Khi đó quyết định có thể sai khi ít nhất có (n + 1)/2 bit lỗi truyền trong ký hiệu 1 nhóm. Với kênh là đối xứng nhị phân có xác suất truyền sai là như nói ở trên thì xác suất quyết định sai của cách truyền trên có thể tính là:

(4 – 11)

Với n = 5, = 0.01 ta có

0 0

1 11-

1-

51

Điều này có nghĩa là với việc sử dụng mã 5 lần lặp lại có thể giảm xác suất lỗi bít bản tin từ 10-3 xuống 10-9 trong cùng một điều kiện kênh. Mã kênh như trên luôn làm tăng độ dư thừa bit so với số bit tối thiểu biểu diễn bản tin nguồn. Giá phải trả cho sự tin cậy tăng lên này là tốc độ thông tin giảm kèm theo sự phức tạp của hệ thống (bộ giải mã theo đa số)

Dung lượng kênh:

Theo như trên muốn giảm lỗi bít bản tin xuống đến 0 thì phải tăng n lên vô cùng và như vậy tức là giảm tốc độ truyền tin đến 0. Tuy nhiên trong lý thuyết thông tin Shannon đã chỉ ra rằng có thể đạt được sự truyền tin hoàn toàn tin cậy (tức là 0) mà vẫn giữ tốc độ truyền lớn hơn 0 chỉ cần đảm bảo tốc độ này thấp hơn dung lượng kênh C. Còn nếu truyền với tốc độ lớn hơn dung lượng kênh thì không thể đảm bào truyền tin cậy.

Trong đó dung lượng kênh được tính là:

C = 1 – Hb( ) = 1 – Hb(0.001) = 1 – 0.0114 = 0.9884 bit/truyền

Ở đó Hb(.) là ký hiệu entropi nhị phân của thông tin:

Hb(x) = -x.log(x) – (1 – x).log(1 – x)

Để đổi ra dung lượng bit / giây phải nhân thêm tốc độ truyền ký hiệu. Dung lượng kênh được hiểu như giới hạn trên của việc truyền thông tin không có lỗi, nó được quy định bởi điều kiện của kênh truyền.

Nếu mô hình kênh được xác định theo băng tần giới hạn [-W, W], có ồn Gauss trắng cộng tính 2 phía (gây nên lỗi đường truyền) với mật độ công suất là N0/2 và với sự hạn chế công suất đầu vào P, dung lượng kênh được tính ngay theo công thức bit / giây.

bit / giây (4 – 12)

Còn tính theo bit trên kênh truyền dẫn theo công suất lối vào hạn chế P và variance ồn , dung lượng kênh sẽ là:

(4 – 13)

Công suất thu được tại bộ thu được tính là: P = Eb.Rb , Eb là năng lượng bit trung bình và Rb tốc độ bit truyền. Phương trình trên tuân theo độ rộng băng truyền sẽ là:

C/W = log2(1 + Eb.Rb/N0W) (4 – 14)

Trong đó C/W được coi là hiệu suất phổ.

Để giảm lỗi và đạt được sự tin cậy trong truyền dẫn cần phát đi các dãy càng khác nhau càng tốt để ồn kênh không dễ dàng biến dãy này thành dãy khác (gây nên lối). Điều

52

này có nghĩa là cần bổ xung một số bit dư vào dòng thông tin để tạo nên sự khác nhau này. Song điều đó cũng làm giảm tốc độ thông tin.

Có 2 loại mã kênh chính là mã khối và mã chập:

- Mã khối tiến hành theo từng khối bản tin k bit, cho thêm n-k bit dư tạo nên từ mã n bit, có tốc độ bit R0 = (n/k)RS trong đó RS là tốc độ của nguồn thông tin. R0 gọi là tốc độ dữ liệu của kênh. R = k/N gọi là tốc độ mã (không có thứ nguyên, trong khi tốc độ nguồn dữ liệu và tốc độ kênh có thứ nguyên là bit/giây) trong mã khối thì mã khối tuyến tính là quan trọng nhất

- Mã chập là nhân chập của dãy lối vào và đáp ứng xung của bộ mã, trong đó độ dài đáp ứng xung bằng bộ nhớ của bộ mã. Bộ mã dùng cửa sổ trượt trên dãy bản tin đến, độ rộng cửa sổ trượt bằng độ dài bộ nhớ. Do đó khác với mã khối, mã chập nhận dòng dữ liệu bản tin liên tục và cho dòng bit mã lối ra liên tục với tốc độ cao hơn

4.4.2. Mã khối

“Mã khối là mã hiệu chỉnh lỗi tiến, cho phép phát hiện và hiệu chỉnh một số giới hạn lỗi mà không phải phát lại”. Mỗi khối gồm k bit thông tin lối vào được tương ứng với từ mã n bit thông tin lối ra (có n - k bit dư thêm vào) khi đó bộ mã khối sẽ có tốc độ mã hóa là R = k/n. Mã này gọi là mã (n, k) có 2k từ mã độ dài n.

4.4.2.1. Mã khối tuyến tính

Mã khối tuyến tính nếu tổ hợp tuyến tính (modul 2) của hai từ mã là một từ mã.

Mã khối trong đó các bit bản tin được giữ nguyên, chỉ bổ xung thêm các bit dữ gọi là mã hệ thống. Mã hệ thống cũng có tính chất tuyến tính và có ưu điểm thực hiện đơn giản.

Cấu trúc của mã khối hệ thống là:

b0, b1…., bn-k-1,m0,m1, …, mk-1

Trong đó k bit bên phải (m0,m1, …, mk-1) là các bit bản tin

n-k bit bên trái (b0, b1…., bn-k-1) là các bit kiểm tra. Bit kiểm tra là tổ hợp tuyến tính của k bit bản tin

bi = p0im0 + p1im1 + … + p(k-1)imk-1 i = 0, 1, … , n-k-1 (4 – 15)

với

53

Phương trình trên xác định một cấu trúc toán học của mã khối tuyến tính (n, k) ta có thể viết lại dưới dang vector ma trận như sau:

b = mP (với P là ma trận có kích thước kx(n-k))

Các từ mã c = [b, m] tạo nên một không gian con k chiều của không gian n chiều:

Do đó ta có thể viết lại là:

C = m[P, Ik] trong đó Ik là ma trận đơn vị hay c = mG

Ma trận G là ma trận nhị phân có kích thước k x n có dạng

G = [P, Ik]

Ma trận G được gọi là ma trận sinh, có k hàng phải là độc lập tuyến tính tức biểu diễn một hàng phải là tổ hợp tuyến tính của các hàm còn lại) từ đó ta có

ci + cj = miG + mjG = Gmi + mjG

Tính chất tuyến tính được suy ra từ hệ thống

Cách biểu diễn khác mối liên hệ giữa bit kiểm tra và bit bản tin là:

H = [In-k,PT] khi đó

HGT = [In-k,PT] = PT + PT

Sử dụng tính chất cộng modul 2 ta có HGT = 0 tức vế phải là ma trận zero hay ta có

cHT = mGHT = 0 (4 - 16)

Khi đó ma trận H được gọi là ma trận kiểm tra chẵn lẻ. Khi đó tín hiệu truyền không lỗi thì phương trình (4 - 16) được thoả mãn

Ví dụ: Xét mã lặp lại n = 5, k = 1 ta có:

G = [1 1 1 1, 1] và H =

Giải mã đặc trưng:

Từ mã c được gửi trên đường truyền mắc lỗi e, véc tơ thu được tại bộ thu là r: ta có

r = c + e

Trong đó ei = 0 nếu ci giống ri (i = 0, 1, 2, … n – 1)

Ta định nghĩa s = rHT

Là đặc trưng của giải mã, có các tính chất sau:

54

- s chỉ phụ thuộc mẫu lỗi mà không phụ thuộc từ mã: do đó

s = (c + e)HT = cHT + eHT = eHT (4 – 17)

Các mẫu lỗi khác nhau của 1 từ mã sẽ có cùng đặc trưng s

- Do bản tin k bit chỉ có 2k từ mã khác nhau nên với mỗi đặc trưng sẽ có 2k véc tơ lỗi khác nhau: ei = e + ci, I = 0, 1, …, 2k – 1

Tập các véc tơ lỗi ứng với một đặc trưng tạo nên một tập con trong tập mã và mã khối tuyến tính có 2n-k tập con như vậy không chồng lấn nhau và phủ hết không gian từ mã. (4 – 17) là một hệ n-k phương trình tuyến tính có thể cho thông tin phát hiện lỗi. Song nó không đủ xác định véc tơ lỗi (n phần tử) hay chính xác hơn xác định duy nhất véc tor lỗi: sẽ có 2k mẫu lỗi thoả mãn hệ phương trình này. Tuy nhiên thông tin đặc trưng s giúp cho phép dò tìm lỗi e từ 2nkhả năng xuống còn 2k khả năng.

Khoảng cách tối thiểu

dmin là tập mã được định nghĩa là khoảng cách Hamming (số các bit khác nhau trong 2 từ mã) nhỏ nhất giữa các từ mã. Từ tính chất đóng của từ mã dmin bằng trọng lượng (số phần tử 1) nhỏ nhất của một từ mã

dmin = min dH(ci, cj) ( 4 – 18)

Mã khối tuyến tính (n, k) có thể tách và hiệu chỉnh được tối đa t lỗi nếu và chỉ nếu

t [1/2(dmin-1)] lấy phần nguyên

Vì véc tơ r nhận được vẫn luôn gần từ mã phát ban đầu hơn bất kỳ từ mã khác.

Đối với mã tuyến tính khoảng cách tối thiểu bằng trọng lượng tối thiểu của mã được định nghĩa:

Wmin = min w(ci) (4 -19)

Ci 0

Tức là số tối thiểu phần tử 1 trong bất kỳ từ mã khác 0

Mã khối tuyến tính có dạng hệ thống khi ma trận sinh có dạng sau:

4.4.2.2. Mã Hamming

Mã Hamming là loại mã khối tuyến tính dạng (2m – 1, 2m -1 – m) có khoảng cách tối thiểu bằng 3 và ma trận kiểm tra chẵn lẻ đơn giản có kích thước m x (2m – 1) trong đó tất cả các dãy nhị phân dài m trừ dãy toàn 0 nhìn theo cột.

55

Với m = 3, ta có mã (7 , 3) ma trận sinh là

Tương ứng ta ta có ma trận kiểm tra chẵn lẻ là :

Từ mã tạo ra từ ma trận sinh này có dmin = 3, nên có khả năng phát hiện và hiệu chỉnh 1 bit lỗi. Các mẫu lỗi 1 bit và các đặc trưng giải mã như sau:

Mẫu lỗi Đặc trưng s

0000000 000

1000000 100

0100000 010

0010000 001

0001000 110

0000100 011

0000010 111

0000001 101

Từ mã nhận được sau đường truyền được nhân với ma trận kiểm tra chẵn lẻ H để

tính đặc trưng s, từ giá trị s nhận được so với bảng trên ta nhận được vị trí bit lỗi.

Mã vòng (CRC)

Mã vòng là một trường hợp riêng của mã khối tuyến tính:

Ưu điểm của mã vòng là có thể biểu diễn như biểu thức toán và có sơ đồ thực hiện

đơn giản. Mã vòng yêu cầu dịch vòng của nó cũng là một từ mã.

Để biểu diễn ta có từ mã c = c0c1…cn-1 là một đa thức mã

c(X) = c0X0 + c1X1 + … +cn-1Xn-1 (4 – 20)

Trong đó X là một biến thực, các hệ số của đa thức sinh là biến nhị phân của từ mã

Luỹ thừa của c(X) biểu diễn dịch bit theo thời gian

Khi đó Xc(X) = c0X + c1X2 + … cn-1Xn (4 – 20a)

56

Thêm cn-1 + cn-1 vào đa thức trên do cn-1 + cn-1 = 0 (tính chất cộng modul 2) do đó đa

thức trên trở thành

Xc(X) = cn-1(Xn + 1) + cn-1 + c0X + … cn-2Xn-1

= cn-1(Xn + 1) + c(1)(X) (4 – 20b)

Với c(1)(X) là c(X) dịch vòng đi 1 bit

Tương tự ta có:

Xic(X) = q(X)(Xn + 1) + c(i)(X) (4 – 20c)

Với c(i)(X) là c(X) dịch vòng đi i bit đồng thời q(X) là phần dư của phép chia Xic(X)

cho Xn + 1

Hay c(i)(X) = Xic(X) mod (Xn + 1) (4 – 21)

Đa thức Xn + 1 và các nhân tử của nó đóng vài trò chính trong việc tạo mã vòng.

chọn g(X) là đa thức bậc tối giản n-k và là thừa số của Xn + 1 có dạng

(4 – 22)

gi = 0 hoặc 1, g(X) gọi là đa thức sinh mã vòng theo cách sau:

c(X) = a(X)g(X) trong đó a(X) là đa thức có bậc k-1 và c(X) được tạo theo cách này

sẽ thoả mãn phương trình (4 – 22) vì g(X) là nhân tử của Xn + 1.

Giả sử đã cho đa thức sinh g(X) và cần mã hoá cho bản tin m (k bit) thành mã vòng

hệ thống (n, k) theo cấu trúc b (n – k) bit dư thêm vào và m (k bit) bản tin, khi đó từ mã

phải có dạng:

c(X) = b(X) + Xn-km(X) ( 4 – 23)

Hay a(X)g(X) = b(X) + Xn-km(X)

Chia cả 2 vế cho g(X) ta có:

(4 – 24)

Phương trình trên cho thấy phần dư của phép chia Xn-km(X) cho g(X) do đó quá

trình mã hoá như sau:

Bước 1: Nhân đa thức bản tin m(X) với Xn-k

57

Bước 2: Chia Xn-km(X) cho đa thức sinh g(X) tìm phần dư

Bước 3: Cộng phần dư với Xn-km(X) để nhận được từ mã c(X)

Ví dụ: Tìm từ mã của véc tơ dữ liệu 0101 theo loại mã dư thừa vòng (7, 4) ta có n = 7, n – k = 3 và:

x7 +1 = (x + 1)(x3 + x + 1)(x3 + x2 + 1).

Chọn g(x) = x3 + x2 + 1

d(x) = x3 + x

Từ đó ta có: xn – kd(x) = x6 + x4

Vì

Ta có thể viết: c(x) = x3d(x) + r(x) = q(x)g(x)

= x3(x3 + x) + 1

=x6 + x4 + 1

Và từ mã tìm được sẽ là: c = 1010001

3 bit cuối được thêm vào 4 bit dữ liệu để thoả mãn tính chia hết, sơ đồ phát mã tuần hoàn như sau:

x6 + x4

x6 + x5 + x3 x5 + x4 +

x3x5 + x4 x2

x3 + x2 x3 + x2 + 1 1

x3 + x2 +

1x3 + x2 + 1 = q(x)

58

Hình 4 – 8: Sơ đồ tạo khối Reed - Solomon

4.4.2.3. Hoạt động của mã khối tuyến tính

Mã khối tuyến tính có thể thực hiện giải mã quyết định cứng hoặc mền. Trong sơ đồ

quyết định cứng, trước hết là quyết định bit – bit trong các thành phần của từ mã, sau đó

tiêu chuẩn khoảng cách Hamminh tối thiểu. Hoạt động của sơ đồ giải mã phụ thuộc vào

cấu trúc, khoảng cách của mã, song luôn có một giới hạn trên, đặt biệt giá trị cao của

SNR có thể nhận được theo khoảng cách tối thiểu của mã.

Xác suất lỗi bản tin của mã khối tuyến tính với khoảng cách tối thiểu dmin trong

quyết định cứng bị chặn trên bởi:

Ở đó p là xác suất lỗi của kênh nhị phân và M là số từ mã (M = 2k). Ở giải mã

quyết định mềm tín hiệu nhận được được tương ứng với từ mã mà tín hiệu tương ứng của

nó có khoảng cách Ơle tối thiểu đến tín hiệu nhận được. Xác suất lỗi bản tin trong trường

hợp này bị giới hạn trên là.

g0 g1 g16g14 g15

Bit chẵn lẻ

Dữ liệu vào

Lối ra

b0 b1 b14 b15+ ++ +

Cổng

59

Ở đó M = 2k là số từ mã, N0 là mật độ công suất phổ ồn một phía dE là khoảng

cách Ơle tối thiểu cho bởi:

Kết quả là:

Trong các bất đẳng thức này dmin khoảng cách Hamming tối thiểu của mã. E là ký

hiệu năng lượng của mỗi thành phần của từ mã. Do mỗi từ có n thành phần, năng lượng

một từ là “n.E” và vì mỗi từ mang k bit thông tin nên năng lượng của một bit thông tin là:

Ở đó Rc = k/n ký hiệu tốc độ của mã, từ mối liên hệ trên ta có.

Giới hạn nhận được thường có ích chỉ đối với giá trị lớn của . Đối với giá

trị nhỏ giới hạn trở nên không chính xác và có thể lớn hơn 1.

4.4.2.4. Ví dụ về mã khối

Mã Hamming nhị phân: (n, k) = (2m – 1, 2m – 1 – m)

Mã Hadamard: Từ mã được chọn là hàng của ma trận Hadamard. Đó là ma trận

NxN gồm 1 và 0 sao cho mỗi hàng khác tất cả các hàng khác chính xác N/2 vị trí (khoảng

cách tối thiểu của mã là N/2). Một hàng chứa toàn số 0, các hàng còn lại chứa N/2 số 0 và

N/2 số 1

Với N = 2 ma trận sẽ là:

60

Với N = 4 ma trận sẽ là:

Tóm lại

Mã Golay: Là mã nhị phân tuyến tính (23, 12) với khoảng cách tối thiểu là 7 và

khả năng hiệu chỉnh 3 lỗi.

4.4.3. Mã xoắn

Dữ liệu vào được lưu giữ trong bộ đệm có độ dài xác định. Lối ra là một tổ hợp của dữ liệu vào và các dữ liệu trong bộ đệm. Việc mã hóa được tiến hành liên tục theo theo các bước dịch vào của dòng dữ liệu mà không theo từng cụm như mã khối.

Mỗi lần lối vào dịch k bit sẽ cho n bit lối ra. Tốc độ mã hóa là R = k/n.

Hình 4 - 9: Sơ đồ tạo mã xoắn

Tại mỗi thời điểm lối ra không chỉ phụ thuộc k bit lối vào mà còn phụ thuộc vào k(N - 1) bit trước đó trong bộ đệm. Số trạng thái trong bộ đệm là 2k(N-1). N được gọi là độ dài ràng buộc của mã xoắn.

Bộ tạo mã xoắn hữu hạn trạng thái gồm N tầng thanh ghi có các đường cố định trước với n bộ cộng modul 2 và bộ hợp kênh các lối ra của bộ cộng modul 2 này

Khi đó bản tin L bit tạo nên n(L/k +N) bit lối ra: tốc độ của bộ mã hoá là

r = L/(n(L/k + N)) k/n khi L >> N

1 -----------

k 1 -----------------

k 1 -------------

k

+ + +

N tầng

1 2 n

Bit dữ liệu k

61

Độ dài ràng buộc là số dịch mà qua đó một bit đơn (một nhóm bit) có thể ảnh hưởng lên lối ra.

Trường hợp dịch 1 bit, thanh ghi dịch có M tầng nên N = M +1 là độ dài ràng buộc

Ví dụ: n = 2, K = 4, k = 1 nên r = ½ dãy bản tin vào 1 bit 1 lần cho ra 2 b it lối ra:

Hình 4 - 10: Bộ tạo mã xoắn

Với sơ đồ hình 4 – 10: với k = 1, n = 2 khi đó cưa một dãy dữ liệu lối vào 1 bit sẽ cho ta 2 bit dữ liệu lối ra, tốc độ mã sẽ là r = 1/2.

Một bộ mã xoắn thường được định nghĩa theo vị trí của dãy tạo mã (đa thức sinh) g1

(i), g2(i), … gM

(i) Ở đó thành phần của nhánh thứ i của dãy gj (1 j kN, 1 i n) sẽ là 1 nếu thành phần của thanh ghi được nối đến bộ tổ hợp ở lối ra ở lối ra i, sẽ là 0 nếu không được nối.

g(i)(D) = g0(i) + g1

(i)D + g2(i)D2 +… + gN

(i)DN

Trong đó D là phần tử trễ

Bộ mã hoá đầy đủ thể hiện đa thức sinh G như sau

Ví dụ hình 2 – 10: có 2 nhánh: nhánh 1 có đa thức sinh là (1, 0, 1, 1) và nhánh 2 là (1, 1, 0 , 1)

Tương ứng ta có đa thức sinh là

Tương ứng ta có g(1) = 1 + D2 + D3

Và g(2) = 1 + D + D3

Với bản tin lối vào là (1 0 0 1 1) biểu diễn đa thức bản tin lối vào là

M(D) = 1 + D3 + D4

Z-1 Z-1 Z-1 Lối raLối vào

62

Tương tự như biến đổi fourier, phép nhân chập trong miền thời gian tương tự như phép nhân trong miền D do đó lối ra của đa thức nhánh 1 là:

c(1)(D) = g(1)(D)m(D) = (1 + D2 + D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D2 + D4 + D5 + D7

Do đó lối ra 1 là (10101101).

Tương tự ta có lối ra 2 sẽ là

c(2)(D) = g(2)(D)m(D) = (1 + D + D3)(1 + D3 + D4) = 1 + D + D5 + D6+ D7

Hay lối ra 2 là (11000111)

Cuối cùng hợp kênh 2 lối ra này ta có dãy mã lối ra là

c = (11,01,10,00,10,11,01,11)

Với bản tin L = 5 tạo dãy mã dài n(L+K-1) = 16 bit.

Để thanh ghi trở về trạng thái zero ban đầu thì phải có K – 1 = 3 zero tại cuối bản tin. Dãy K – 1 zero này gọi là đuôi bản tin

Vậy với

g1 = [0… 0 1 0 1 0 0 1] ……………….

g2 = [0 …0 0 0 0 0 0 1] gn = [1 … 0 0 0 0 0 0 1]

Khi g1, g2, … gn. được xác định, mã xoắn được xác định duy nhất. Đôi khi viết gọn thành ma trận n x kN tạo mã xoắn như sau:

4.4.3.1. Biểu diễn mã xoắn

Ngoài cách biểu diễn theo sơ đồ cấu trúc hay ma trận tạo mã như ở mục trước ta

còn có thể biểu diễn theo 2k(N – 1) trạng thái của thanh ghi và sự chuyển trạng thái giữa

chúng khi có k bit mới đi vào.

Biểu diễn thanh ghi dịch

Bộ mã xoắn sử dụng thanh ghi dịch dựa vào trạng thái của thanh ghi dịch, và đa thức tạo mã lối ra của thanh ghi dịch để được dữ liệu lối ra khi lối vào là 1 bit hay 1 nhóm bit lối vào phụ thuộc bộ tạo mã

Biểu diễn theo sơ đồ lưới.

Z-1 Z-1 Z-1 Lối raLối vào

63

Bộ mã xoắn sử dụng sơ đồ lưới sẽ phụ thuộc vào mắt lưới trước đó và đường đi của mắt lưới tiếp theo để cho ta bit lối ra. Phụ thuộc vào số bít lối ra khác nhau mà số mắt lưới tương ứng ở cột lưới có thể có là 2k mắt lưới

Sơ đố lưới với 1 bit lối vào và 2 bit lối ra.

Bộ mã lưới lối vào bit 0 tương ứng với đường nét liền và lối vào bit 1 tương ứng

với đường nét đứt.

Xét bộ mã xoắn với sơ đồ lưới với k = 1, n = 2 và N = 3

Số trạng thái của thanh ghi là 2k(N – 1) = 22 = 4 tức là tương ứng với 00, 01, 10, 11.

Trong sơ đồ lưới các trục ngang biểu diễn sự biến đổi của trạng thái có thể của k(N – 1)

bit trên thanh ghi. Các bit nhị phân viết cạnh mũi tên nối 2 trạng thái nối tiếp theo thời

gian biểu thị lối ra của bộ mã hóa trước thời điểm chuyển này. Mỗi một lần mã hóa một

cụm dữ liệu ta luôn suất phát từ trạng thái toàn 0 ban đầu đi theo một đường qua sơ đồ

lưới rồi lại kết thúc ở trạng thái toàn 0.

Biểu diễn theo sơ đồ cây:

0000 0000 0000 0000

00 00 00 00 00 00

10 10 10 10 10 10

11 11 11 11 11 11 11 11

11 11 11 11 11 11

01 01 01 01 01 01 0101 01 01 01 01 01

10 10 10 10 10 10 10

64

Ví dụ: Bộ mã hoá v1 = r1, v2 = r1 + r2 + r 3, v3 = r1 + r3

Tín hiệu vào được biểu thị theo cây mã

Chuỗi 4 bit vào 1011 được mã hoá thành 111 010 100 101( tốc độ mã là 1/3).

Quan sát sơ đồ ta thấy sự lặp lại cấu trúc khi số tầng lớn hơn độ dài ràng buộc vủa nó và

tất cả các nhánh xuất phất từ 2 nốt cùng trạng thái sẽ cho m các dãy giống nhau. Điều này

có nghĩa là 2 nốt cùng tên có thể nhập làm một.

Bằng cách này ta có thể rút gọn sơ đồ cây thành sơ đồ lưới biểu diễn mã xoắn gọn hơn.

4.4.3.2. Hàm truyền của mã xoắn

Hàm truyền cho thông tin về các đường khác nhay trong sơ đồ lưới từ trạng thái

toàn 0 bân đầu trở về trạng thái toàn 0 lần thứ nhất. Hàm truyền đóng vai trò quan trọng

trong việc đánh giá giới hạn xác suất lỗi của mã. Tương ứng với mỗi nhánh nối 2 trạng

thái là hàm dạng được định nghĩa, ở đó là số bit 1 trong dãy bit ra và là số

bit 1 trong dãy bit vào tương ứng của nhánh và là số nhánh trong đường đi. Hàm truyền

của mã còn gọi là hàm truyền của đường đi từ trạng thái toàn 0 đến trạng thái toàn 0 kế

tiếp kí hiệu là T(D, N, J), mỗi số hạng của T(D, N, J) là một đường trong sơ đồ lưới đi từ

bắt đầu toàn 0 đến kết thúc toàn 0.

Trong ví dụ trên hàm truyền là T(D, N, J) =

0

1

000

111

000

111

000

111

000

111

000111010101

010

101

011100001110

011

100

000111010101

001

110

011100001110

65

Khi khai triển ta có T(D, N, J) = D5NJ3 + D6N2J4 + D6N2J5 + D6N3J5 + …

Từ biểu thức trên ta có thể thấy tồn tại một từ mã có trọng lượng Hamminh 5, 2 từ

mã trọng lượng Hamminh 6. Ở từ mã có trọng lượng Hamming 5 tương ứng với dãy vào

trọng lượng Hamming 1 độ dài 3. Số mũ nhỏ nhất của D trong khai triển T(D, N, J) gọi là

khoảng cách tự do của mã xoắn ký hiệu là dfree trong ví dụ trên dfree = 5.

4.4.3.3. Giải mã xoắn

Trong số nhiều phương pháp giải mã xoắn, phương pháp Viterbi được quan tâm

đặc biệt vì nó là phương pháp tính khả năng tối đa. Dựa theo dãy nhận được tại lối ra

kênh, phương pháp này dò tìm trong sơ đồ lưới đường đi có mã giống như dãy nhận

được. Nếu giải mã là quyết định cứng thuật toán sẽ tìm đường có khoảng cách Hamming

nhỏ nhất đễn dãy nhận được. Nếu giải mã là quyết định mềm thì đường tìm được phải có

khoảng cách Ơle nhỏ nhất đến dãy nhận được. gọi c là từ mã theo đường đi trong sơ đồ

lưới y là dãy nhận được qua kênh nhị phân không nhớ. Giả sử đường đi có m bước

chuyển trạng thái, mỗi bước có n bit lối ra nên c và y vó n.m bit đồng thờici và yi tương

ứng với bước chuyển thứ i ( ). Khoảng cách Hamming giữa c và y được tính là:

d(c.y) =

Trong cách tính khoảng cách Ơle của quyết định mềm, chỉ việc thay dãy y bằng

lối ra vectơ r của bộ giải điều chế số. Thay cho dãy nhị phân 0, 1 của c là dãy c’ với

c’ij =

Với và . Khoảng cách Ơle là biểu thức

Bây giờ giả sử k = 1. Điều này có nghĩa là chỉ có 2 nhánh đi vào một điểm trạng

thái trong sơ đồ lưới. Nếu đường đi tối ưu phải đi qua một trạng thái S thì ta gọi nhánh đi

vào nó là S1 và S2 để biết được nhánh vào trong 2 nhánh này cho khoảng cáhc toàn thể

nhỏ nhất chúng ta phải cộng khoảng cách toàn thể nhỏ nhất tại S1 và S2 với khoảng cách

của nhánh nối 2 trạng thái với S. Rõ ràng là tổng nào nhỏ hơn sẽ được chọn để xét tiếp

đối với tầng tiếp sau S. Nhánh này là nhánh sống sót tới S, khoảng cách của nó sẽ được

66

lưu lại tại S, còn các nhánh khác không thích hợp bị xóa. Đối với trường hợp k > 1 chỉ

khác là tại mỗi tầng chúng ta phải chọn nhánh sống sót từ 2k nhánh dẫn đến trạng thái S.

Quy trình nói trên được tóm tắt trong thuật toán Viterbi như sau:

1. Chia dãy nhận được thành m dãy con có độ dài n.

2. Với sơ đồ lưới có m tầng. Đối với N – 1 tần cuối chỉ vẽ các đường ứng với lối

vào toàn 0 (chú ý để trở về trạng thái toàn 0 kết thúc từ mã thì sau k bit lối vào

cuối sẽ phải thêm k(N – 1) bit 0 lối vào, khi m >> N thì tốc độ mã hóa vẫn coi

là k/n)

3. Đặt l = 1 và đặt khoảng cách tại trạng thái toàn 0 ban đầu bằng 0

4. Tìm khoảng cách của dãy con thứ l của dãy nhận được đến tất cả các nhánh nối

các trạng thái tầng 1 đến các trạng thái l + 1 trong sơ đồ lưới.

5. Cộng các khoảng cách này vào các khoảng cách của các trạng thái tầng 1 để

nhận được các ứng của khoảng cách cho các trạng thái tầng l + 1. Đối với mỗi

trạng thái của tầng l + 1, có 2k khoảng cách ứng cử, mỗi khoảng cách ứng với

một nhánh kết thúc tại trạng thái này.

6. Đối với mỗi trạng thái ở tầng l + 1 chọn khoảng cách ứng cử nhỏ nhất và coi

nhánh tương ứng là nhánh sống sót và phân giá trị khoảng cách nhỏ nhất là

khoảng cách của các trạng thái tầng l + 1.

7. Nếu l = m chuyển sang bước tiếp theo. Nếu không tăng l thêm 1 và trở lại bước

thứ 4

8. Bắt đầu từ trạng thái toàn 0 tại tầng m + 1 đi ngược lại trong sơ đồ lưới dọc

theo nhánh sống sót để trở lại trạng thái toàn 0 ban đầu. Đường này là đường

tối ưu và dãy lối vào tương ứng là dãy thông tin được giải mã khả dĩ nhất. Để

nhận được dãy lối vào chỉ việc bỏ đi k(N – 1) số 0 từ dãy này

Có thể nhận thấy là mã xoắn có độ trễ và bộ nhới cần cho giải mã lớn. Một

phương pháp để tránh được điều này là cắt ngắn đường nhớ đó là: Bộ giải mã tại mỗi

tầng chỉ dò tìm tầng trước đó trong sơ đồ lưới mà không đến tận lúc bắt đầu lưới tại

tầng bộ giải mã tạo quyết định lên bit lối vào tương ứng với tầng đầu tiên của lưới (k

bit đầu tiên), và những bit nhận được tiếp theo không thay đổi quyết định này. Điều này

có nghĩa là độ trễ của bộ giải mã chỉ là k. và nó chỉ yêu cầu giữ các nhánh sống sót ứng

67

với tầng cuối. Mô phỏng máy tính cho ta thấy rằng nếu 5N thì sự giảm cấp do cắt

ngắn đường nhớ có thể bỏ qua.

4.4.3.4. Giới hạn lỗi bit của mã xoắn

Để xác định giới hạn lỗi bit, ta giả sử phải phát đi dãy toàn 0 và đến tầng thứ l cuả

bộ giải mã là không có lỗi. Bây giờ có k bit thông tin thêm vào bộ mã hóa làm chuyển

sang tầng tiếp theo có thể một nhánh khác trong lưới có metric nhỏ hơn nhánh toàn 0 và

bắt đầu gây nên lỗi. Đây là sự kiện lỗi đầu tiên và có xác suất lỗi tương ứng là xác suất

lỗi đầu tiên.

Trước hết ta giới hạn xác suất lỗi đầu tiên. Gọi P2(d) là xác suất xảy ra để đường

cong lưới có khoảng cách d với đường toàn 0 là sống sót tại tầng l + 1 vì d lớn hơn dtự do

ta có thể giới hạn xác suất lỗi đầu tiên theo.

Pe =

Ở đó bên phía phải chúng ta có tất cả các nhánh trong sơ đồ lưới chung với tất cả

các nhánh 0 tại tầng l + 1. P2(d) ký hiệu xác suất đối với nhánh có khoảng Hamming d

đến thành toàn 0. ad ký hiệu số nhánh có khoảng cách hamming d đến nhánh toàn 0. Giá

trị P2(d) phụ thuộc vào mã quyết định mềm hay cứng.

Đối với mã quyết định mềm, nếu tín hiệu đối cực được dùng (nhị phân PSK),

chúng ta có:

Vì vậy:

Từ công thức trên ta biết được về Q:

Chúng ta nhận được

68

Chú ý rằng

Cuối cùng ta tìm được:

Ở đó T1(D) = T(D, N, J)|D=

Đây là giới hạn bit lỗi thứ nhất. Để tìm giới hạn lỗi bit trung bình đối với k bit lối

vào, chúng ta chú ý rằng mỗi nhánh do một số nhất định bit lối vào có một số lỗi khi giải

mã. Trường hợp tổng ưúat có DdNf(d)Jg(d) trong khai triển của T(D, N, J). Có tổng cộng

f(d) bit lối vào khác 0. Điều này có nghĩa là trung bình bit lối vào bị lỗi có thể nhận được

bằng cách nhân xác suất chọn mỗi đường với tổng số lỗi đi vào. Vì vậy trung bình lỗi bit

trong quyết định mềm bị giới hạn.

Nếu chúng ta định nghĩa

T2(D, N) = T(D, N, J)|j=1 =

Chúng ta có

Kết hợp các phương trình trên ta có

Để nhận được lỗi bit trung bình trên mỗi bit lối vào ta phải chia cho k bit lối vào

Đối với giải mã quyết định cứng, quy trình toán cơ bản trên chỉ khác là giới hạn

của P2(d).

Kết quả xác suất lỗi trung bình bị chặn trên là:

69

So sánh quyết định cứng và mềm đối với mã xoắn, cũng giống như mã khối tuyến

tính, giải mã quyết định mềm mạnh hơn 2 dB trong kênh ồn Gauss trắng cộng tính

70

Chương 5:

Hệ thống thông tin di động tổ ong GSM

5.1. Đặc điểm chung của hệ thống GSM

Đặc điểm và dịch vụ của hệ thống GSM là:

Dịch vụ của hệ thống GSM:

Dịch vụ thoại: ngoài các cuộc gọi thông thường của máy di động còn có các cuộc gọi khẩn cấp, các bản tin có sẵn.

Dịch vụ dữ liệu: truyền thông giữa các máy tính và các lưu lượng chuyển mạch gói. (giới hạn ở mức 1, 2 và 3 của mô hình kết nối mở OSI) Dữ liệu truyền có thể ở mode trong suốt (tức là thông tin hầu như không bị mất mát khi GSM cung cấp mã kênh tiêu chuẩ cho dữ liệu người dùng) hoặc mode không trong suốt (khi GSM dùng mã đặc biệt dựa trên giao diện dữ liệu cụ thể).

Ngoài 2 dịch vụ cơ bản trên GSM còn có các dịch vụ bổ xung như: chuyển hướng cuộc gọi, nhận biết người gọi, bản tin ngắn SMS (SMS có trang tin giới hạn 60 ký tự 7 bit ASCII

Đặc điểm của hệ thống GSM được người sử dụng ưa thích là:

Sử dụng SIM là một chíp nhớ chứa các thông tin người sử dụng, các dịch vụ đăng ký,… Có thể dễ dàng tháo lắp SIM để sử dụng trên máy khác cùng tiêu chuẩn khi người dùng muốn đổi máy.

Thông tin các cuộc liên lạc được bảo mật trên đường truyền.

5.2. Kiến trúc hệ thống GSM

Hệ thống GSM có cấu trúc tổng quát như hình ở dưới đây

Hệ thống GSM có thể chia thành các hệ thống con như sau

- Hệ thống con chuyển mạch – SS.

- Hệ thống con trạm gốc – BSS.

- Hệ thống con khai thác và hỗ trợ – OSS.

- Trạm di động – MS.

71

Hình 6 – 1: Tổng quan hệ thống GSM

Trong đó:

SS: Hệ thống con chuyển mạch

AUC: Trung tâm nhận thực

HLR: Bộ ghi định vị thường trú

VLR: Bộ ghi định vị tạm trú

MSC: Tổng đài di động

EIR: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

BSS: Hệ thống con thu phát gốc (phân hệ trạm gốc)

BSC: Bộ điều khiển trạm gốc

BTS: Trạm thu phát gốc

OSS: Hệ thống con khai thác và hỗ trợ

MS: Trạm di động

ISDN: Mạng số đa dịch vụ

72

PSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo gói

CSPDN: Mạng chuyển mạch số công cộng theo mạch

PLMN: Mạng di động mặt đất công cộng

5.2.1. Hệ thống con chuyển mạch – SS.

Hệ thống con chuyển mạch bao gồm chức năng chuyển mạch chính của mạng

GSM cũng như việc lưu trữ các cơ sở dữ liệu cần thiết về số liệu và quản lý di động của

thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng

GSM với nhau và với mạng khác. Hệ thống con chuyển mạch gồm có các bộ phận sau:

Trung tâm chuyển mạch di động – MSC

MSC thực hiện nhiệm vụ điều khiển, thiết lập cuộc gọi đến những người sử

dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác.

Thực hiện giao diện với hệ thống con BSS và giao diện với các mạng ngoài.

MSC thực hiện giao diện với mạng ngoài gọi là MSC cổng (GMSC). Để

kết nối MSC với một số mạng khác cần phải tương thích các đặc điểm

truyền dẫn của GSM với các mạng khác được gọi là chức năng tương tác

IWF (InterWorking Functions). IWF cho phép GSM kết nối với các mạng

ISDN, PSTN, PSPDN, CSPDN, PLMN.

Bộ ghi định vị thường trú – HLR

HLR lưu trữ mọi thông tin liên quan đến việc cung cấp các dịch vụ viễn

thông, kể cả vị trí hiện thời của MS. HLR thường là một máy tính đứng

riêng có khả năng quản lý hàng trăm nghìn thuê bao nhưng không có khả

năng chuyển mạch. Một chức năng nữa của HLR là nhận dạng thông tin do

AUC cung cấp.

Bộ ghi định vị tạm trú – VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM. Nó được nối với một hay

nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu của các thuê bao hiện

đang nằm trong miền phục vụ của MSC và đồng thời lưu trữ số liệu về vị

trí của các thuê bao trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Các chức năng

VLR thường được liên kết với MSC.

73

Trung tâm nhận thực – AUC

Trung tâm nhận thực lưu giữ về nhận thực thuê bao, thông qua khóa nhận

thực (Ki), kiểm tra cho tất cả các thuê bao trong mạng. Nó chịu trách nhiệm

xử lý nhận thực và tạo biện pháp bảo mật trong các cuộc gọi. AUC là bộ

nhận phần cứng trong HLR, cho phép bám và ghi lại các cuộc gọi, chống

nghe trộm, nó được thay đổi riêng cho từng thuê bao. Theo yêu cầu của

HLR, AUC tạo ra các nhóm chức năng như sau:

Số ngẫu nhiên RAND (Random Number).

Đáp ứng tín hiệu SRES (Signal Response).

Chìa khoá mật mã Kc.

Thanh ghi nhận dạng thiết bị – EIR

EIR được nối với một MSC thông qua một đường báo hiệu riêng, nó cho

phép MSC kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị di động, hay EIR lưu trữ thông tin

về IMEI và tổ chức danh sách IMEI như sau.

Danh sách trắng: gồm các IMEI hợp lệ.

Danh sách xám: gồm các IMEI bị mất cắp.

Danh sách đen: gồm các IMEI của các di động bị lỗi hoặc không kết

nối được với mạng GSM hiện tại.

5.2.2. Hệ thống con trạm gốc – BSS.

Hệ thống con trạm gốc BSS được hiểu như hệ thống vo tuyến: cung cấp và quản lý

đường truyền vô tuyếng giữa máy di động và tổng đài MSC. Mỗi BSS bao gồm:

Bộ điều khiển trạm gốc – BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả các giao diện vô tuyến thông qua các lệnh

điều khiển từ xa giữa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh được

ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một phần của

BSC nối với các BTS còn phần kia được nối với MSC. Trong thực tế BSC

là một tổng đài nhỏ có khả năng thực hiện tính toán đáng kể. Vai trò chủ

yếu của nó là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. Một

74

BSC trung bình có thể quản lý được vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng

của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A,

còn giao diện giữa BTS và BSC là giao diện A bis.

Trạm thu phát gốc – BTS

BTS là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thuê bao di động (hay trạm di

động - MS), trao đổi thông tin với MS thông qua giao diện vô tuyến Um.

BTS bao gồm các thiết bị như: Anten thu phát, thiết bị xử lý tín hiệu đặc

thù cho giao diện vô tuyến. Một BTS có thể gồm một hay vài máy thu phát

vô tuyến TRx. BTS dưới sự điều khiển của một BSC có thể kết nối theo

nhiều đường khác nhau. Cơ bản là các cấu hình hình sao, vòng hoặc chuỗi

nhỏ, nhưng cũng có thể kết hợp các cấu hình đó lại với nhau. Cấu hình BSS

thể hiện như hình 6 – 2 và 6 – 3 dưới đây.

EMBED Visio.Drawing.6

BTS1 BTS4

BTS5BTS3

BTS2 BSC MSC

Hình 5 - 2: Cấu hình hình sao

Hình 5 - 3: Cấu hình vòng hoặc chuỗi nhỏ

75

Bộ chuyển đổi mã thích ứng tốc độ TRAU

TRAU là thiết bị mà quá trình mã hoá và giải mã đặc thù riêng cho mạng

GSM được tiến hành, ở đây cũng thực hiện việc tương thích tốc độ trong

trường hợp truyền số liệu. Nó kết hợp các đường dữ liệu 13kbps thành

đường PCM 64kbps và ngược lại. TRAU là một bộ phận của BTS, nhưng

cũng có thể đặt nó cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp nó

được đặt giữa BSC và MSC.

5.2.3. Hệ thống con vận hành và bảo dưỡng OSS

OSS gồm một hay một số OMC dùng để theo dõi và bảo trì hoạt động của MSC,

BTS, BSC. Nó có chức năng chính như sau:

Chức năng khai thác và bảo dưỡng

Khai thác: Giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ (tải lưu lượng, mức độ nghẽn,

số lượng chuyển giao…) để kịp thời xử lý các sự cố. Khai thác bao gồm cả

việc thay đổi cấu hình để giải quyết các vấn đề hiện tại, để tăng lưu lượng,

tăng diện tích phủ sóng.

Bảo dưỡng có nhiệm vụ phát hiện, định vị, sửa chữa các sự cố và hỏng hóc.

Nó liên quan chặt chẽ với khai thác.

Quản lý thuê bao

Bao gồm cả các hoạt động như: Đăng ký thuê bao, nhập thuê bao vào mạng

hay loại bỏ thuê bao ra khỏi mạng. Đăng ký các dịch vụ và các tính năng bổ

sung. Một nhiệm vụ quan trọng khác của quản lý thuê bao là tính cước cuộc

gọi. Quản lý thuê bao do HLR và một số thiết bị OSS chuyên dụng đảm

nhiệm. SIM Card đóng vai trò quan trọng cùng với OSS trong việc quản lý

các thuê bao.

Quản lý thiết bị tự động được thực hiện bởi EIR. EIR lưu trữ tất cả các dữ

liệu liên quan đến trạm di động MS. EIR được nối với MSC thông qua

đường báo hiệu để kiểm tra sự hợp lệ của các thuê bao.

76

5.3. Kiến trúc vô tuyến của GSM

Dải tần phát ngược (từ MS tới BTS) 25 MHz: từ 890 – 915 MHz

Dải tần phát xuôi (từ BTS tới MS) 25 MHz: từ 935 – 960 MHz

Do không bị lệ thuộc vào khung kỹ thuật nào của một hệ thống trước đó nên GSM được thiết kế độc lập chứa đựng nhiều ưu điểm kỹ thuật. GSM sử dụng kỹ thuật FDD kết hợp TDMA và FDMA nhằm phục vụ đa truy cập

Dải tần phát ngược và phát xuôi được chia thành các kênh vô tuyến rộng 200 kHz, các kênh này ghép cặp ngược suôi sao cho chúng cách biệt nhau 45 MHz và cùng được dùng chung bởi 8 người theo kỹ thuật TDMA.

Mỗi người được phân 1 khe thời gian, tốc độ truyền dẫn kênh là 270.833 kbps dùng điều chế nhị phân BT = 0.3 GMSK. Như vậy độ dài bit là 3.692 . Tốc độ truyền của một người dùng là 33.854 kbps (270.833/8). Mỗi khe thời gian ứng với 156.25 bit (567.92 ) trong đó 8.25 bit dùng cho bảo vệ, 6 bit cho báo hiệu bắt đầu và kết thúc mỗi khung có độ dài 4.615 ms.

Tổng số kênh vô tuyến trong dải 25 MHz là 125, mỗi kênh 8 khe thời gian sẽ cho tổng số 1000 kênh lưu lượng

Tổ hợp tỷ số và kênh vô tuyến ARFCN tạo nên một kênh vật lý đối với tất cả

chiều phát xuôi và ngược. Mỗi kênh vật lý của GSM có thể được gán cho các kênh

logic tại các thời điểm khác nhau, tức mỗi khe thời gian có thể được phân cho dữ

liệu lưu lượng hoặc dữ liệu báo hiệu hoặc dữ liệu điều khiển.

Các thông số Chỉ số kỹ thuật

Tần số các kênh ngược 890 – 915 MHz

Tần số các kênh thuận (xuôi) 935 – 960 MHz

Số hiệu kênh ARFCN Từ 0 đến 124 và 975 đến 1023

Khoảng cách tần số Tx/Rx

Khoảng cách khe thời gian Tx/Rx

45 MHz

3 khe thời gian

Tốc độ dữ liệu điều chế 270.833333 kbps

Chu kỳ khung 4.615 ms

Số người dùng / khung (toàn tốc) 8

Chu kỳ khe thời gian 576.9

77

Chu kỳ bit 3.962

Kỹ thuật điều chế 0.3 GMSK

Khoảng cách kênh ARFCN 200 KHz

Ghép xen (trễ cực đại) 40 ms

Tốc độ mã hoá tiếng nói 13 kbps

5.4. Các loại kênh trong GSM

Có hai loại kênh logic chính trong GSM là kênh lưu lượng (TCH Traffic CHannel)

và kênh điều khiển (CCH Control Channel).

Kênh lưu lượng mang tiếng nói và dữ liệu người dùng được số hoá có chức năng

và hình thức giống nhau ở cả chiều phát ngược và phát xuôi.

Kênh điều khiển mang lệnh, báo hiệu đồng bộ giữa BTS và MS, có loại chỉ dùng

cho phát xuôi hay phát ngược. Có nhiều loại kênh lưu lượng được thiết kế trong GSM.

5.4.1. Kênh lưu lượng

Là kênh mang thông tin thoại và dữ liệu được mã hoá của người sử dụng, đây là

kênh ở cả hai đường lên và xuống, truyền từ điểm tới điểm.

Có hai loại kênh lưu lượng TCH là kênh toàn tốc FR và kênh bán tốc HR có tốc

độ bằng một nửa kênh toàn tốc.

Ở chế độ toàn tốc người dùng chiếm hoàn toàn một khe thời gian ở các khung liên

tiếp trong khi kênh bán tốc khe thời gian được phan cách khung. TCH không được dùng

ở TS0 (dành cho kênh điều khiển) và 26 khung liên tiếp tạo nên đa khung (khung thứ 13

luôn chứa dữ liệu điều khiển liên kết chậm, khung thứ 26 là khung rỗi ở chế độ toàn tốc

và nó cũng điều khiển liên kết chậm ở bán tốc)

Tiếng nói toàn tốc FS: Tiếng nói được số hoá tại tốc độ 13 kbps, cộng thêm

mã kênh sẽ có tốc độ 22.8 kbps

Dữ liệu toàn tốc (F9.6 – F4.8 – F2.4): Mang dữ liệu người dùng 9.6 – 4.8 –

2.4 kbps cộng thêm mã sửa lỗi được gửi đi với tốc độ 22.8 kbps.

78

Tiếng nói bán tốc HS: GSM thiết kế trước cho bộ mã hoá tiếng nói tốc độ 6.5

kbps khi bổ sung mã kênh tốc độ chỉ là 11.4 kbps

Dữ liệu bán tốc (H4.8 – H2.4): Mang dữ liệu người dùng là 4.8 – 2.4 kbps

cộng thêm mã điều khiển lỗi cho tốc độ 11.4 kbps

5.4.2. Các kênh điều khiển

Các kênh điều khiển báo hiệu được chia làm ba loại là: Các kênh quảng bá BCCH,

các kênh điều khiển chung CCCH và các kênh điều khiển riêng DCCH.

5.4.2.1. Các kênh điều khiển quảng bá - BCCH

Là kênh đường xuống kết nối điểm – điểm gồm có các kênh là:

Kênh hiệu chỉnh tần số FCCH mang thông tin của hệ thống để điều chỉnh

tần số cho MS.

Kênh đồng bộ SCH mang thông tin đồng bộ khung cho MS và mã nhận

dạng trạm BTS.

Kênh điều khiển quảng bá BCCH mang các thông tin của hệ thống như số

LAI, các thông tin của ô.

5.4.2.2. Kênh điều khiển chung CCCH gồm có các kênh là:

Kênh tìm gọi PCH: dùng để phát thông báo tìm gọi MS (paging). PCH là

kênh dùng cho đường xuống.

Kênh truy cập ngẫu nhiên RACH: là kênh mà MS sử dụng để yêu cầu cung

cấp một kênh DCCH, trả lời thông báo tìm gọi, đồng thời để thực hiện các thủ

tục khởi đầu khi thực hiện cuộc gọi (nhận thực, chuyển số gọi…) RACH là

kênh đường lên kết nối điểm - đa điểm.

Kênh trợ giúp truy cập (AGCH): là kênh theo chiều xuôi, dữ liệu được

mang chỉ thị cho MS chuyển sang một kênh vật lý xác định với một kênh điều

khiển riêng. AGCH là bản tin CCCH cuối cùng gửi từ trạm BTS trước khi MS

ngắt khối kênh điều khiển

79

5.4.2.3. Các kênh điều khiển riêng DCCH

Kênh điều khiển riêng đứng đơn lẻ SDCCH dùng để báo hiệu hệ thống khi

thiết lập cuộc gọi (đăng ký, nhận thực, quay số…) trước khi ấn định một kênh

TCH. SDCCH dùng cho cả đường lên và xuống, kết điểm - điểm.

Kênh điều khiển liên kết chậm. SACCH: kênh này không đi một mình mà

liên kết với một kênh SDCCH hoặc một kênh TCH. Đây là kênh số kiệu liên

tục mang thông tin đo đạc từ MS về cường độ tín hiệu nhận, chất lượng thu của

ô hiện thời và các ô lân cận. Các thông báo này được chuyển về BSC để quyết

định chuyển giao HO (Handover), ở đường xuống nó mang thông tin để điều

khiển công suất phát của MS và thông số định thời trước TA để đồng bộ thời

gian.

Kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH liên kết với một kênh TCH theo

chế độ “lấy lén”. Khi tốc độ thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều khả năng của

SACCH, hệ thống sẽ “lấy lén” một cụm 20ms của TCH. Đây là trường hợp khi

chuyển giao. Có rất nhiều thông tin cần được trao đổi giữa mạng với MS. 20ms

tiếng hay số liệu được lấy lén sẽ được thay thế bằng một chuỗi nội suy ở bộ

giải mã.

5.5. Cuộc gọi trong GSM

Có hai trường hợp cuộc gọi xẩy ra trong mạng GSM là:

5.5.1. Cuộc gọi đến MS

Giả sử MS đang hoạt động ở trạng thái rỗi, người sử dụng quay tất cả các chữ số

thuê bao bị gọi và bắt đầu thủ tục cho cuộc gọi bằng cách ấn phím gọi (Ok hoặc Yes).

Lúc đó, MS sẽ gửi thông báo trên kênh RACH để yêu cầu thâm nhập. MSC nhận thông

báo này thông qua BTS và yêu cầu BSC cấp cho MS một kênh SDCCH để cho các thủ

tục nhận thực và đánh dấu trạng thái bận cho thuê bao này trong việc phát thông báo tìm

gọi lúc này. BSC gửi thông báo chấp nhận thâm nhập trên kênh AGCH cho MS trong đó

có thông báo về kênh SDCCH cho các thủ tục nhân thực. Nếu thuê bao chủ gọi là hợp lệ

thì MSC/VLR sẽ chấp nhận yêu cầu thâm nhập. Sau đó, MS mới thiết lập cuộc gọi và các

chữ số của thuê bao bị gọi. MSC sẽ định tuyến cuộc gọi đến GMSC, tuỳ theo thuê bao bị

gọi là di động hay cố định mà số của nó sẽ được phân tích trực tiếp ở GMSC hay tiếp tục

được định tuyến đến tổng đài quá giang của mạng PLMN. Khi kênh đã nối sẵn sàng thì

80

thông báo thiết lập cuộc gọi từ MS được MSC công nhận và cấp cho MS một kênh TCH

riêng. Sau đó đợi tín hiệu trả lời từ thuê bao bị gọi.

5.5.2. Cuộc gọi từ MS

Giả sử muốn thiêt lập một cuộc gọi từ thuê bao cố định đến thuê bao di động (ví

dụ thuê bao A) thì phải qua những bước sau như hình sau.

Hình 5 – 4: Qúa trình thực hiện cuộc gọi từ mang ngoài đến MS

1 Một cuộc gọi từ mạng cố định được định tuyến đến GMSC yêu cầu nối mạch với

thuê bao A nào đó.

2 GMSC yêu cầu HLR cho biết vị trí hiện hành của thuê bao A.

3 HLR cung cấp thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao A cho GMSC.

4 Dựa vào đó GMSC sẽ định tuyến và gửi thông tin cần thiết đến MSC mà ở đó thuê

bao A đang có mặt.

5 MSC yêu cầu VLR cung cấp số liệu về liên quan đến thuê bao A.

6 VLR cung cấp các thông tin về thuê bao A cho MSC.

7 MSC tiến hành gọi thuê bao A trên tất cả các trạm BTS thuộc nó kiểm soát vì

MSC không biết thuê bao A đang ở đâu.

8 Sau khi thuê bao A nhấc máy bắt đầu quá trình trao đổi thông tin giữa thuê bao A

và mạng để kiểm tra SIM và cách thức mã hoá trên đường truyền vô tuyến. Sau đó

VLR tạo ra TMSI và mạng tiến hành nối mạch.

9 Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh truyền dẫn logic và các số liệu liên quan chứa

trong các phần tử của mạng được giải phóng và MSC ghi các số liệu về cước vào

băng từ hoặc đĩa cứng.

81

5.6. Cấu trúc khung

Có 5 loại cụm dữ liệu dùng cho khung lưu lượng và điều khiển là:

Cụm thông thường:

3 bit

Bắt đầu

58 bit dữ liệu đã

được bảo mật26 bit tập dượt


được bảo mật

3 bit

kết thúc

8.25 bit

bảo vệ

Cụm FCCH

3 bit

Bắt đầu142 bit zero cố định

3 bit

kết thúc

8.25 bit

bảo vệ

Cụm SCH

3 bit

Bắt đầu


bảo mật64 bit tập dượt


bảo mật

3 bit

kết thúc

8.25 bit

bảo vệ

Cumk RACH

8 bit

Bắt đầu

41 bit đồng bộ 36 bit dữ liệu đã

bảo mật

3 bit

kết thúc

68.25 bit bảo vệ mở

rộng

Cụm giả

3 bit

bắt đầu

58 bit pha trộn 26 bit

tập dượt

58 bit pha trộn 3 bit

kết thúc

8.25 bit

bảo vệ

Hình: Cấu trúc các cụm

Các cụm bình thường được dùng cho TCH và DCCH trên cả chiều xuôi và ngược.

Các cụm FCCH và SCH được dùng trong TS0 của những khung xác định để phát quảng

82

bá bản tin đồng bộ tần số và thời gian. Các cụm RACH được dùng khi thông tin đã nhồi

đầy các khe không sử dụng trên chiều xuôi.

Hình sau minh họa cấu trúc dữ liệu trong cụm thông thường.

Mỗi khe thời gian gồm 156.25 bit trong đó chỉ có 114 bit mang thông tin dữ liệu

chia thành 2 nhóm 57 bit. Ở chính giữa là 26 bit khử kênh dùng cho cân bằng kênh, 2 bit

riêng ở hai bên là 2 bit cờ (cờ lấy nén) dùng để phân biệt TS chứa voide (TCH) hay dữ

liệu điều khiển (FACCH). Mỗi thuê bao của GSM dùng 1 TS cho kênh ngược và 1 TS

cho kênh xuôi và có thể dùng 6 TS còn lại để đo độ mạnh tính hiệu của 5 trạm cơ sở xung

quanh và trạm cơ sở quản lý.

Hì

nh 5 - 5: Cấu trúc khung của GSM

Cấu trúc khung thông thường trong đó 8 TS hợp thành 1 khung, 26 khung hợp

thành 1 đa khung, các khung thứ 13 và 26 không được dùng cho lưu lượng mà cho mục

đính điều khiển. 52 đa khung hợp thành một siêu khung, 2048 siêu kung hợp thành một

siêu siêu khung ứng với độ dài là 3 giời 28 phút 54 giây. Ở đây thuật toán bảo mật dự

trên số hiệu khung cụ thể trong siêu siêu khung nên mức độ bảo mật cao (vì số khung

trong siêu siêu khung là rất lớn).

Siêu khung

0 1 2 3 4 5 6 7

3 57 1 26 1 57 3 8.25

Đa khung

Khung

Khe thời gian 156.25 bit

8 khe thời gian

26 khung

51 đa khung

6.12 s

6.12 s

120 ms

4.615 ms

576.92 μs

83

ở Ở đa khung điều khiển có 51 khung để đảm bảo rằng bất kỳ thuê bao nào GSM

(ở trong tế bào đang phục vụ hay vùng lân cận) có thể nhận được SCH và FCCH từ BCH

mà không phụ thuộc nó đang dùng khung nào và khe thời gian nào

5.7. Xử lý tín hiệu trong GSM

Sơ đồ các bước mã hóa tín hiệu trong GSM được minh họa như hình sau:

Hình 5 - 6: Xử lý tín hiệu trong GSM

Mã hóa tiếng nói: Bộ mã hóa tiếng nói trong GSM là RELP (Residually Exited

Linear Predictive Coder). Chúng được làm nổi bật bằng bộ dự đoán dài (LTP), cung cấp

cụm 260 bít / 20ms (tốc độ 13 kbps) và được lựa chọn sau những thử nghiệm quy mo

cuối những năm 1980.

Kết hợp với bộ mã hóa tiếng nói (VAD - Voice Activity Detector, vì trong một

cuộc nói chuyện mỗi người chỉ nói khoảng 40% thời gian) trong bộ mã hóa tiếng. Hệ làm

việc theo mode phát gián đoạn (DTX – Discontinuous transmision mode), chúng làm Pin

được dùng lâu hơn và giảm giao thoa cho môi trường xung quanh. Một bộ tạo ồn thích

hợp tại bộ thu để tạo nền ồn bù trừ sự khó chịu do DTX tạo ra.

Mã kênh cho lưu lượng tiếng: Lối ra của bộ mã hóa tiếng được xếp thành nhóm để

chống lỗi dựa vào mức độ quan trọng của bit. 50 bit quan trọng nhất được thêm 3 bit

Tiếng nói

Giải mã nguồn

Giải mã kênh

Giải ghép xen

Giải bảo mật

Giải tạo cụm

Giải điều chế

Số hóa và mã nguồn

Mã kênh

Ghép xen

Bảo mật

Tạo cụm

Điều chế

Tiếng nói

Kênh vô tuyến

84

kiểm tra (CRC). Điều này làm dễ dàng cho việc phát hiện lỗi do thu không chính xác.

132 bit tiếp theo cùng 53 bit trước đó được xắp xếp lại và nối thêm 4 bit zero vào cuối

thành 189 bit được chống lỗi theo mã xắn tốc độ ½ độ dài ràng buộc k = 5 tạo nên dãy

378 bit. 78 bit không quan trọng tiếp theo không được chống lỗi mà chỉ ghép nối vào tạo

nên khối 456 bit / 20 ms làm tăng tốc độ lên 22.8kbps.

Hình 5 - 7: Mã kênh cho lưu lượng tiếng

Mã kênh cho dữ liệu (TCH/9.6): xử lý cụm 60 bit / 5ms theo chuẩn modem

CCITT V.110. 240 bit được nối thêm 4 bit code cấp cho bộ mã xoắn đục lỗ tốc độ ½ độ

dài ràng buộc k = 5. 488 bit code được rút lại thành 456 bit (đục lỗ 32 bit) rồi chia thành

4 nhóm 114 bit và được cấp theo kiểu ghép xen trên các khe thời gian liên tiếp.

Mã kênh cho kênh điều khiển: Bản tin điều khiển dài 184 bit được mã lửa dùng đa

thức sinh: G5(x) = (x23 + 1)(x17 + x3 + 1) sẽ cho 184 bit bản tin và 40 bit kiểm tra tiếp theo

cộng thêm 4 bit đuôi (để phù hợp với mã xoắn tiếp theo). Tổng cộng 228 bit được cấp

cho bộ mã xoắn ½ và có độ dài ràng buộc k = 5 (CC(2, 1, 5)). Kết quả là 456 bit được

ghép xen lên 8 khung liên tiếp giống như dữ liệu tiếng nói.

Ghép xen: Để giảm nhiễu đám trên dữ liệu nhận được 456 bit / 20 ms (tiếng nói

hay bản tin điều khiển) được chia thành 8 nhóm 57 bit được trải trên 8 khe thời gian liên

tiếp (tức là trên 8 khung liên tiếp đối với một TS xác định). Mỗi TS chứa 2 nhóm 57 từ 2

khúc 20 ms (456 bit) khác nhau.

Chú ý: TS0 chứa 57 bit từ nhóm 0 của khúc tiếng nói thứ n và 57 bit từ nhóm 4

của khúc tiếng nói thứ n – 1.

50 bit loại1a 78 bit loại2132 bit loại1b

50 bit loại1a 3 132 bit loại1b 4

78378

Mã xoắn tốc độ ½, k = 5

85

Hình 5 - 8: Trình tự ghép xen.

Bảo mật: Bộ bảo mật biến đổi 8 nhóm được ghép xen theo qui tắc chỉ có MS và

BTS được biết. việc bảo mật được tăng cường theo thuật toán thay đổi theo từng cuộc

gọi. Có 2 loại bảo mật theo thuật toán là A3 và A5. Thuật toán A3 được dùng để nhận

thực MS bằng cách kiểm tra passcode trong SIM và chìa khóa mã tại MSC. Thuật toán

A5 cung cấp sự xáo trộn 114 bit đã mã hóa và gửi vào trong TS.

Tạo dạng cụm: Bộ này cộng thêm dữ liệu nhị phân vào cụm đã được bảo mật giúp

cho đồng bộ và cân bằng tín hiệu nhận được (tạo nên một khe TS đầy đủ)

Điều chế: Điều chế theo sơ đồ GMSK 0.3 (0.3 mô tả độ rộng băng 3dB của bộ lọc

dạng xung gauss liên hệ với tốc độ bit BT = 0.3). GMSK là loại điều chế FM số đặc biệt.

Bit 1 và bit zero được biểu diễn bằng dịch tần sóng mang RF một lượng +67.708KHz.

Tốc độ kênh của GSM là 270.833kbps bằng đúng 4 lần sự dịch tần sóng mang, điều này

làm giảm độ rộng băng của phổ điều chế và cải tiến được dung lượng kênh. Tín hiệu sau

điều chế GMSK đi qua bộ lọc Gauss làm trơn sự dịch chuyển tần đột ngột (tránh trải phổ

sang các kênh lân cận).

Nhảy tần: Khi có vấn đề về đa đường làm suy giảm chất lượng tín hiệu, có thể sử

dụng kỹ thuật nhảy tần chậm (do nhà cung cấp dịch vụ quyết định – giới hạn lớn nhất là

217.6 lần nhảy / giây). Nhảy tần dựa trên cơ sở khung - khung và có 64 kênh khác nhau

có thể chọn trước khi trở lại kênh tần cũ.

Cân bằng: Bộ cân bằng thực hiện tại bộ thu với sự giúp đỡ của dãy thử kênh ở

chính mỗi khe (TS). Cách thức cân bằng trong GSM không được qui định cụ thể mà dành

cho nhà sản xuất.

Giải điều chế: Tín hiệu đền người dùng cụ thể được xác định bởi TS và ARFCN.

Dữ liệu trên một khe tương ứng được giải điều chế khi bổ sung dữ liệu đồng bộ được

cung cấp theo tạo dạng cụm. Sau khi giải điều chế, các thông tin nhị phân được giải bảo

mật, giải ghép xen, giải mã kênh và giải mã hóa tiếng nói.

5.8. Cấu trúc mạng GPRS dựa trên nền mạng GSM

0a 4b 1a 5b 2a 6b 3a 7b 4a 0b 5a 1b 6a 2b 7a 3b

i+0 i+1 i+2 i+3 i+4 i+5 i+6 i+7

114 bit

86

PCU: Packet Control Unit - Khối kiểm tra dữ liệu gói

GGSN: Gateway GPRS Support Node - Nút hỗ trợ GPRS cổng

SGSN: Serving GPRS Support Node - Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

Các Node hỗ trợ GPRS các giao diện

5.8.1. Gateway GSN (GGSN).

GGSN tạo giao diện giữa BSS với các mạng chuyển mạch gói khác nhau như

Internet hay X.25, gần tương tự như việc MSC tạo giao diện giữa BSS với PSTN, và

cũng đóng vai trò như một router đối với các mạng dữ liệu gói khác tương tự như vai trò

của Gateway MSC với các chức năng của khối tương tác liên mạng IWF.

BSCBSC

PCUPCU

TRAU

TRAU

IWFIWFVLRVLR

MSCMSCAbis A

GsG

b

GGSNGGSN

BTSBTS

cell

cell

AUCAUC

HLRHLR

EIREIR

Gn

Gf

Gc

Gn

SGSN

SGSN

Gi

Gr

Gn

Gp

Border

GGSN

Border

GGSN

GPRS

NetworkGPRS

Backbone Network

SGSNSGSN

Inter PLMNnetwork

Gn

Border

GGSN

Border

GGSN

PSPDN

PSPDN

ISDNISDN

PSTNPSTN

Leased line

Corporate

Intranet

External Data

Network IP, X.25...

87

Dựa trên địa chỉ của các gói nhận được từ các mạng chuyển mạch gói bên ngoài,

GGSN “chuyển gói qua đường hầm” (tunnelling) tới cho các Serving GSN thích hợp để

từ đó gửi tới MS nhận, và ngược lại các gói dữ liệu từ MS gửi đi qua SGSN và được

GGSN định tuyến tới địa chỉ nhận thích hợp ở mạng bên ngoài. Thuật ngữ tunnelling

dùng để chỉ quá trình truyền một khối dữ liệu từ một điểm gắn các thông tin địa chỉ và

điều khiển vào khối dữ liệu tới một điểm nhận có nhiệm vụ gỡ bỏ các thông tin địa chỉ và

điều khiển ấy ra. Một đường hầm là một đường truyền hai chiều và người ta chủ yếu chỉ

quan tâm đến hai điểm đầu và cuối của đường hầm. Để GGSN có khả năng định tuyến

thông tin nó phải lưu trữ các thông tin quản lý di động đối với MS, và ngoài ra GGSN

còn lưu trữ các thông tin phục vụ cho việc tính cước.

GGSN kết nối với các mạng dữ liệu gói bên ngoài qua giao diện Gi, với các mạng

GPRS ở mạng di động mặt đất PLMN khác qua giao diện Gp (khi đó nó được coi là một

Border GGSN), nghĩa là GGSN luôn là điểm đầu tiên của các kết nối liên mạng (GGSN

hỗ trợ điểm tham chiếu Gi). GGSN có thể kết nối tới bộ đăng kí định vị thường trú HLR

qua giao diện Gc để lấy các thông tin định tuyến để định tuyến các đơn vị dữ liệu gói

PDU một cách chính xác tới MS.

GGSN nối tới các Serving GSN qua mạng đường trục bằng giao diện Gn, các PDU

được chuyển trên giao diện này bằng việc được đóng gói vào các IP datagram. Điều này

cho phép các PDU của cả X.25 và IP đều có thể được truyền trong mạng GPRS với cùng

một dạng như nhau.GGSN tập hợp các CDR( Call Data Recorder) đánh dấu thời gian

truy nhập, cung cấp thời gian truy nhập của MS cho SGSN.

Tóm tắt chức năng chính của GGSN:

- Đóng vai trò như một tổng đài cổng giữa PLMN và các mạng dữ liệu gói bên

ngoài.

- Thiết lập việc truyền thông với các mạng dữ liệu gói bên ngoài .

- Định tuyến và tunnel packets đến và ra khỏi SGSN

- Tính toán số lượng gói/dữ liệu

- Đánh địa chỉ, lập bảng định tuyến

88

- Hỗ trợ tính cước .

5.8.2. Serving GSN (SGSN)

SGSN có chức năng tương đương với một MSC trong hệ thống GSM, chịu trách

nhiệm định tuyến dữ liệu gói tới từ vùng phục vụ địa lý mà nó đảm nhận, có chức năng

quản lý di động MM, nhận thực và bảo mật truy cập vô tuyến, quản lý kết nối vật lý tới

các MS. SGSN có nhiệm vụ tạo ra một PDP context cần thiết để có thể cho phép các

PDU được truyền giữa MS và GGSN mà MS đang liên lạc để trao đổi dữ liệu gói với

mạng ngoài. Luồng lưu thông được định tuyến từ SGSN qua một bộ kiểm tra dữ liệu gói

PCU để tới BSC, qua BTS và tới MS. Kỹ thuật nén dữ liệu cũng được sử dụng giữa MS

và SGSN để nâng cao hiệu quả của kết nối, giảm nhỏ kích thước của các gói dữ liệu được

truyền.

SGSN nối với MSC/VLR của mạng GSM qua giao diện Gs để giải quyết các vấn đề

về tương tác giữa GSM và GPRS để phục vụ cho thuê bao chung khi cả hai công nghệ

dùng chung tài nguyên. Kết nối tới trung tâm dịch vụ bản tin ngắn SMSC dùng giao diện

Gd, giao diện này hoạt động như một dịch vụ mang của GPRS hỗ trợ dịch vụ các bản tin

ngắn từ điểm tới điểm. SGSN nối với HLR/AUC qua giao diện Gr, cả ba giao diện trên

đều là các giao diện sử dụng hệ thống báo hiệu số 7.

Nếu trong mạng có sử dụng thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR thì sẽ được kết nối với

SGSN bằng giao diện Gf.

Tuỳ theo yêu cầu định tuyến, các PDU sẽ từ SGSN tới PCU nằm ở BSS qua giao

diện Gb.

Kết nối giữa SGSN và BSC dùng giao diện Gb là giao diện hoạt động dựa trên giao

thức chuyển tiếp khung frame relay. Một SGSN có thể đấu nối tới nhiều BSC nhưng

ngược lại thì một BSC chỉ có thể đấu nối tới một SGSN và đường truyền từ BSC tới

SGSN có thể dùng nhiều kết nối vật lý như E1 hay T1.

Tóm tắt các chức năng chính của SGSN:

- Quản lý di động

- Mật mã hoá

89

- Nén dữ liệu

- Tương tác với công nghệ chuyển mạch kênh của GSM(giao diện Gs).

- Tính toán số lượng gói dữ liệu

- Tính cước.

5.8.3. Đơn vị kiểm tra dữ liệu gói PCU ( Packet Control Unit )

PCU chịu trách nhiệm việc quản lí tài nguyên vô tuyến dữ liệu gói trong BSS. Đặc

biệt PCU chịu trách nhiệm xử lý lớp MAC và RLC của giao diện vô tuyến và giao diện

Gb(BSSGP và lớp NS). Trong PCU có bộ xử lý vùng RPP có thể làm việc với cả hai giao

diện Gb và Abis hoặc chỉ với Abis. Chức năng RPP là phân bố khung PCU giữa Gb và

Abis.

5.8.4. HLR, VLR, AUC và EIR

HLR hiện có của hệ thống GSM vẫn được giữ nguyên trong hệ thống GPRS, nó

chứa dữ liệu về thuê bao bao gồm các loại dịch vụ mà người sử dụng yêu cầu được cung

cấp qua đăng kí với nhà khai thác mạng, tài khoản, số cước còn lại của thuê bao nhằm

xác định tính hợp lệ khi nhập mạng của thuê bao ở cả hai hệ thống GSM và GPRS...,

ngoài ra nó còn chứa các thông tin giúp định tuyến dữ liệu đến thuê bao, cung cấp và cập

nhật các thông tin về truyền dẫn dữ liệu gói, sự liên hệ giữa số nhận dạng máy di động

IMSI với địa chỉ IP của thuê bao tới SGSN khi có yêu cầu.

MSC/VLR tuy không tham gia định tuyến dữ liệu GPRS nhưng được dùng để tiến

hành các thủ tục đăng kí và kết nối các MS của GPRS. MSC/VLR được tác động qua lại

với SGSN khi giao diện Gs được cài đặt, giao diện Gs được sử dụng để giải quyết các

vấn đề về các thiết bị đầu cuối được kết nối với cả hai hệ thống chuyển mạch gói GPRS

và chuyển mạch kênh GSM. Khi một MS được kết nối tới GPRS (GPRS attached) và

GSM (IMSI attached) thì việc cập nhật vùng định vị LA và vùng định tuyến RA được

phối hợp tiến hành để tiết kiệm tài nguyên vô tuyến. Khi MS di chuyển vào một RA mới

thì nó sẽ gửi yêu cầu cập nhật vùng định tuyến RA tới SGSN. Việc cập nhật RA bao gồm

cả việc cập nhật LA và SGSN sẽ chuyển thông tin cập nhật LA tới MSC/VLR bằng cách

chuyển số nhận dạng vùng định tuyến RAI sang một VLR number và MSC/VLR có thể

90

tuỳ chọn gửi VLR TMSI tới SGSN để chuyển tới MS. SGSN và MSC/VLR sẽ độc lập

nhau thông báo cho HLR biết vị trí của MS.

Cùng với HLR, VLR chứa các thông tin về tình trạng thuê bao của người sử dụng

bao gồm các thông tin về cước hay tài khoản của người sử dụng, từ đó phối hợp quản lý

thuê bao với hệ thống GSM trong việc tính toán tài khoản và cước.

Trong mạng GPRS, AUC vẫn đóng vai trò nhận thực và bảo mật, tạo ra các thông số

nhận thực và mật mã hoá bảo vệ mạng khỏi sự khai thác trái phép và tránh việc thông tin

người dùng bị xâm phạm.

EIR giúp xác nhận tính hợp lệ của các thiết bị di động và ngăn ngừa các thiết bị đầu

cuối bị mất hay bị lỗi hoạt động.

5.8.5. BSS (Base Station System).

BSS bao gồm các khối BTS, BSC và PCU. PCU đã được giới thiệu ở trên chúng ta

chỉ nhắc đến BTS và BSC ở đây.

BSC cung cấp tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến. BSC có thể thiết lập,

giám sát và bỏ kết nối chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Để sử dụng dịch vụ GPRS

thi BSC cần phải nâng cấp thêm phần mềm và phần cứng, phần cứng của nó chính là

PCU.

BTS dùng để truyền và nhận thông tin qua giao diện vô tuyến giữa MS và BSC.

BTS làm chức năng tách chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói ở chiều downlink và

uplink.

5.9. Các loại kênh trong mạng GRPS

5.9.1. Các kênh logic gói.

Hệ thống GPRS chia sẻ kênh điều khiển logic cùng với hệ thống GSM một các tin

cậy, bao gồm những kênh FCCH và SCH, thậm chí hệ thống GPRS cũng có một số kênh

được chỉ ra như là kênh sử dụng trong GSM nhưng để hỗ trợ cho lưu lượng của GPRS.

Những kênh logic này có thể được tách ra làm hai loại là: Lưu lượng và báo

hiệu/điều khiển. Chú ý rằng nó không chắc chắn là nó có quy ước với hệ thống GSM hay

91

không, một máy cầm tay của GPRS có thể truy nhập nhiều kênh lưu lượng đồng

thời(PDTCH).

Cấu trúc của kênh logic GPRS.

Như ở trong hệ thống GSM, GPRS cũng được định nghĩa là kênh logic mới, thực

hiện rất nhiều chức năng bao gồm như là báo hiệu, quảng bá thông tin hệ thống, đồng bộ,

ấn định kênh, tìm gọi và truyền tải.

- PBCCH (Packet Broadcast Control Chanel) kênh này được sử dụng ở đường

xuống để quảng bá thông tin dữ liệu gói của hệ thống. Chú ý rằng nếu mà PBCCH

không được cấp phát thì thông tin này có thể được quảng bá trên BCCH.

- PRACH (Packet Random Access Chanel) kênh này được sử dụng ở đường lên và

do MS bắt đầu truyền dữ liệu ở đường lên hoặc thông tin báo hiệu. Chú ý rằng

người sử dụng các burst gói truy nhập và burst truy nhập gói mở rộng. Burst truy

nhập được sử dụng để tiến hành TA.

Common chanel

PCCCH

PBCCH

PAGCH

PRACH

PPCH

PNCH

Dedicated chanel

PDCCH

PDTCH

PACCH

PTCCH

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KÊNH LOGIC

92

- PPCH(Packet Paging Chanel) kênh này được sử dụng ở đường xuống, nó dùng dể

tìm gọi MS trước khi truyền dữ liệu gói. Chú ý rằng nó cho phép timg gọi nhóm

DRX, có thể được sử dụng cho CS và PS.

- PAGCH(Packet Access Grant Chanel) kênh này được sử dụng ở đường xuống, nó

gửi bản tin ấn định tài nguyên vô tuyến đến MS trước khi truyền gói, lưu ý rằng

bản tin ấn định tài nguyên được thêm vào có thể được gửi trên một kênh PACCH

nếu MS phức tạp trong việc truyền gói.

- PNCH(Packet Notification Chanel) kênh này được sử dụng ở đường xuống, nó

thực hiện gửi thông báo điểm đa điểm đến một nhóm MS trước khi truyền gói đến

đa điểm, ấn định tài nguyên truyền gói, chú ý rằng điểm đa điểm không được định

rõ trong phase 1 của GPRS. Mode DRX được cung cấp để giám sát PNCH.

- PDTCH(Packet Data Traffic Chanel) kênh này sử dụng cho cả đường lên và

đường xuống, kênh này thực hiện cấp phát khi truyền dữ liệu được dành riêng đến

một MS hoặc một nhóm các MS., chú ý rằng sự hoạt động trong khe thời gian thì

một MS có thể sử dụng vài PDTCH đồng thời để truyền gói.

- PACCH (Packet Associated Control Chanel) kênh này cũng được sử dụng ở cả

đường lên và đường xuống, nó làm nhiệm vụ gửi thông tin báo hiệu cho MS, nhận

biết điều khiển công suất, ấn định tài nguyên và ấn định lại bản tin, chú ý rằng

PACCH chia sẻ tài nguyên cùng với PDTCH, một MS có thể truyền dữ liệu gói

hoặc tìm gọi dịch vụ của CS trên kênh PACCH.

- PTCCH(Packet Timing Advance Control Chanel) kênh này cũng xử dụng cho cả

đường lên và đường xuống, ở đường lên nó làm chức năng truyền các Burst truy

nhập ngẫu nhiên cho TA, đường xuống truyền cập nhật TA, chú ý rằng đường

xuống TA truyền đến những MS riêng lẻ.

Khi các kênh điều khiển gói được thực hiện, tất cả các báo hiệu điều khiển chung

gói được chỉ định đến PDCH như là “master” PDCH( kênh này được nói rõ hơn trong hệ

thống của Ericson).

93

5.9.2. Kênh lưu lượng logic gói.Những thuật ngữ dùng để mô tả quan hệ của các kênh dữ liệu gói trong hệ thống

GPRS được nói đến theo mỗi tài liêu là khác nhau. ETSI đưa ra giới thiệu về GPRS được

định nghĩa theo hai trường hợp.

- PDCH kênh dữ liệu gói liên quan ấn định một kênh vật lý đến dịch vụ GPRS.

PDCH có thể bao gồm một sự kết hợp kênh dữ liệu gói logic khác nhau.

- PDTCH Kênh lưu lượng dữ liệu gói liên quan kênh lưu lượng GPRS, nó mang lưu

lượng về đa khung GPRS và bao gồm người sử dụng lưu lượng gói và kênh điều

khiển dành riêng gói.

Thêm vào đó có một số tài nguyên liên quan đến một Master PDCH(MPDCH).

Có thuật ngữ của Ericsson chỉ ra thuật ngữ liên quan đến PDCH của GPRS rằng nó được

mang trên PBCCH.

Một PDCH được ấn định đến một kênh vật lý riêng lẻ(time slot) trên giao diện vô

tuyến, mỗi PDCH có thể mang một hoặc một kết hợp của kênh logic gói bao gồm điều

khiển và các loại lưu lượng người sử dụng, timeslot là cái cố định để ấn định đến GPRS,

mỗi khe thời gian của GPRS bằng với mỗi một PDCH, khe thời gian cũng có thể là

không cố định để ấn định đến GPRS, những PDCH là ấn định động đến kênh vật lý, có

thể thay đổi thời gian tồn tại trong luc kết nối cùng với dịch vụ chuyển mạch kênh, vì vậy

không chắc chắn là kênh lưu lương chuyển mạch kênh trong GSM, những PDCH trong

GPRS không được ấn định trong khoảng thời gian người sử dụng giao tiếp trong một

phiên.

5.9.3. Kênh lưu lượng dữ liệu gói.Một PDTCH là một kênh logic được thiết lập tạm thời bởi một người sử dụng để

chuyển giao đến người sử dụng lưu lượng. Một người sử dụng có thể thiết lập nhiều

PDTCH đồng thời nếu cần thiết, có thể sử dụng lên đến 8 PDTCH đồng thời cho một

MS, nó cũng có thể cấp phát một PDTCH cho một nhóm MS trong mode PTM-M.

Tất cả các kênh lưu lượng dữ liệu gói là đơn hướng,ở đường lên cho MS bắt đầu

truyền gói và ở đường xuống thì truyền gói xuống đầu cuối.

94

Một PDTCH khi sử dụng cho một khe thời gian đơn lẻ thì có thể được hoạt động ở

Full-rate hoặc Hafl-rate nhưng còn phải phụ thuộc vào nó ở trên PDCH/F hoặc PDCH/H.

Một PDTCH khi sử dụng cho multislot hoạt động là Full-rate.

95

Chương 6:

Hệ thống thông tin di động CDMA

6.1. Giới thiệu chung

Thông thường các kỹ thuật điều chế và giải điều chế được thiết kế trong hệ thống

truyền thông tin số sao cho hệ hoạt động sử dụng công suất và độ rộng băng tối thiểu, có

xác suất lỗi bit thấp trong môi trường có Gauss trắng dừng. Tuy nhiên các kỹ thuật điều

chế này phải kết hợp thêm một số kỹ thuật khác mới có thể chịu được trong môi trường

fading đa đường, chuyển động hoặc có nguồn gây nhiễu cố ý hay không có ý xen vào.

Một kỹ thuật điều chế khác vốn có tính chịu được môi trường truyền dẫn phức tạp trên là

kỹ thuật điều chế trải phổ.

Kỹ thuật trải phổ dùng độ rộng băng truyền vài bậc lớn hơn độ rộng tín hiệu

truyền, nó không có hiệu suất băng khi chỉ có một người sử dụng, song lại có hiệu suất

khi nhiều người sử dụng cùng một lúc mà vẫn tránh được sự giao thoa với nhau. Ngoài

việc chiếm băng tần rộng, tín hiệu trải phổ còn có tính chất giống như ồn khi so sánh với

dữ liệu thông tin số. Dạng sóng trải phổ được điều khiển bởi dãy giả ồn (hay mã giả ồn -

PN), chúng là dãy nhị phân biểu hiện như dãy ngẫu nhiên song được xác định bởi máy

thu chủ định. Tín hiệu trải phổ được giải điều chế tại bộ thu khi tương quan chéo với dãy

PN đúng sẽ giải trải tín hiệu, nhận được bản tin băng hẹp trong khi tương quan chéo với

tín hiệu không mong muốn sẽ chỉ cho một lượng nhỏ của ồn băng rộng tại lối ra máy thu.

Điều chế trải phổ có nhiều ưu điểm trong môi trường radio di động. Nổi bật là khả

năng chống giao thoa ssa truy cập vốn có của nó. Vì rằng mỗi người dùng được phân một

mã duy nhất gần như trực giao với mã của người khác nên bộ thu tách người dùng dựa

trên mã mõi người mặc dù họ dùng chung phổ trong cùng một thời gian. Không chỉ tách

được từ nhiều người dùng khác mà nó còn có thể khôi phục được khi bị phá bởi tín hiệu

giao thoa băng hẹp. Do ảnh hưởng của tín hiệu băng hẹp chỉ tác động lên một phần nhỏ

tín hiệu trải phổ nên nó dễ dàng lấy đi bằng bộ lọc khía chữ V mà không làm mất nhiều

thông tin. Ngoài ra do dùng chung tần số nên không cần kế hoạch tần số, tất cả các tế bào

đều dùng chung kênh rộng.

Chịu được đa đường là ưu điểm căn bản khác để sử dụng kỹ thuật này trong thông

tin vô tuyến. Do tín hiệu trải phổ có năng lượng phân đều trên băng rất rộng nên tại mỗi

thời điểm chỉ có một phần nhỏ phổ chịu fading. Thể hiện trong miền thời gian thì khả

96

năng chống nhiễu đa đường là do các phiên bản trễ có tương quan nhỏ với dãy PN gốc,

kết quả biểu hiện như người dùng không tương quan khác và bị loại. Hệ thống trải phổ

không chỉ chịu được đa đường mà còn sử dụng các thành phần đa đường để cải thiện chất

lượng tín hiệu

Một hệ thống thông tin được coi là SS nếu:

* Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối

thiểu cần thiết để phát thông tin.

* Trải phổ được thực hiện bằng 1 mã độc lập với số liệu.

Các ưu điểm của hệ thống trải phổ

Ưu điểm triệt nhiễu.

Đối với tạp âm trắng Gauss, việc trải phổ tín hiệu không cho phép cải thiện đặc tính

của hệ thống. Tuy nhiên, việc gây nhiễu cố ý với công suất cố định là việc rất khó khăn

và không có hiệu quả đối với hệ thống trải phổ. Mặt khác nhiễu giao thoa giữa các hệ

thống khác sử dụng chung băng tần của tín hiệu CDMA cũng bị giảm rất nhỏ do các tín

hiệu băng hẹp đó bị trải phổ dẫn đến công suất giao thoa rất nhỏ.

Ngoài khả năng chống nhiễu hệ thống trải phổ còn đạt được sự chống phadinh nhiều

tia. Các tín hiệu do phadinh gây ra đến máy thu theo nhiều đường với nhiều khoảng cách

khác nhau. Các tín hiệu phản xạ bị trễ so với tín hiệu hữu ích (tín hiệu đi thẳng) một

khoảng thời gian tn. Nếu khoảng trễ này lớn hơn khoảng thời gian của một chip Tc thì sẽ

không còn sự tương quan giữa mã thu được và mã của máy thu. Khi đó, các tín hiệu phản

xạ (tín hiệu nhiễu) tiếp tục bị trải rộng phổ, nhờ đó mà đạt được sự chống phadinh nhiều

tia.

Ưu điểm giảm mật độ năng lượng.

Trong hệ thống trải phổ, phổ của tín hiệu được trải rộng do đó công suất tín hiệu

được trải đều và mỏng trên toàn bộ miền trải phổ. Vì vậy, việc phát hiện sự tồn tại của tín

hiệu rất khó và cũng khó có thể tách sóng được tín hiệu đối với các máy thu không được

phép (máy thu ngoài phạm vi cuộc liên lạc). Vì vậy khả năng bảo mật thông tin cao.

97

Ưu điểm truy nhập đa đường.

Mỗi người sử dụng có một mã duy nhất để phân biệt với người sử dụng khác. Thông

tin của người sử dụng được phát đi đồng thời trên cùng một băng tần. Ngưòi sử dụng

không hợp lệ (không đúng mã trải phổ) không dễ dàng can thiệp vào thông tin của người

sử dụng khác. Đó chính là nguyên tắc của đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

Khả năng phân giải theo thời gian.

Các tín hiệu trải phổ có thể ứng dụng cho việc xác định vị trí và cự ly đòi hỏi sự

chính xác cao. Nguyên lý của phép xác định cự ly là đo thời gian xung thăm dò truyền từ

nơi phát qua kênh truyền và quay trở về. Do tín hiệu sau trải phổ có bề rộng xung rất lớn

nên giảm được sai số và phép đo cự ly càng chính xác. Bằng việc sử dụng một dãy xung

thăm dò nêm cùng một lúc ta thực hiện được nhiều phép đo liên tiếp vừa giảm được thời

gian đo vừa giảm được số lần đo nên phép đo chính xác hơn.

6.2. Kiến trúc hệ thống CDMA

Cấu trúc hệ thống UMTS hiện tại đang được nghiên cứu, về cơ bản có thể chia ra

những phần sau:

Thiết bị của người sử dụng UE.

Mạng truy cập UTRAN.

Mạng lõi CN.

Và các phần trên được kết nối với nhau qua các giao diện mở.

98

Cấu trúc hệ thống UMTS

Ký hiệu:

- USIM (User Sim Card): Thẻ Sim Card của người sử dụng.

- MS (Mobile Station): Máy điện thoại di động.

- RNC (Radio Node Controller): Bộ điều khiển trạm gốc.

- MSC (Mobile Services Switching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di

động.

- VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú.

- SGSN (Servicing GPRS (General Packet Radio Service) Support Node): Điểm hội trợ

GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ.

- GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center): Trung tâm chuyển mạch các

dịch vụ di động cổng.

- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng.

- HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú.

- UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTS.

99

- CN (Core Network): Mạng lõi.

6.2.1 Thiết bị người sử dụng UE (USER EQUIPMENT)UE bao gồm hai phần:

- Thiết bị di động (ME – Mobile Equipment) là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho

thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM – UMTS Subscriber Identity Module) là

một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận

thực và lưu giữ các khoá nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu

cuối.

6.2.2 Cấu trúc mạng truy cập

Hệ thống UTRAN bao gồm một tập các phân hệ mạng vô tuyến RNS (Radio

Network Subsystem) kết nối tới mạng lõi trên giao diện Iu và kết nối với nhau trên giao

diện Iur. Một phân hệ mạng vô tuyến RNS bao gồm một đơn vị điều khiển mạng vô

tuyến RNC (Radio Network Controller) và một hoặc nhiều thực thể được gọi là nút B

(Node B). Node B được nối với RNC trên giao diện Iub. Mỗi RNS chịu trách nhiệm quản

lý các ô vô tuyến của nó.

Với mỗi kết nối giữa thiết bị người sử dụng UE với mạng UTRAN, sẽ có một RNS

gọi là RNS phục vụ (Serving RNS). Khi cần thiết, các RNS kề cận (Drift RNS) hỗ trợ

RNS phục vụ bằng cách cung cấp các kênh vô tuyến. Vai trò của một RNS (phục vụ hay

kề cận) là trên cơ sở từng kết nối giữa thiết bị người sử dụng và mạng UTRAN.

RNS bao gồm chức năng tách / ghép kênh nhằm hỗ trợ sự phân tập giữa các Node B

khác nhau.

100

Cấu trúc RNC

Là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN.

Nó giao diện với CN và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio

Resource Control), giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa MS và

UTRAN. Nó đóng vai trò như BSC.

- RNC điều khiển nút B thông qua giao diện Iub được biểu thị như là RNC điều

khiển CRNC (Control RNC) của nút B. CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải và

tránh nghẽn cho các ô của mình. Khi một kết nối MS - UTRAN sử dụng nhiều tài

nguyên từ nhiều RNC, các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt:

- RNC phục vụ SRNC (Service RNC) đối với một MS là RNC kết cuối cả đường Iu

để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu RANAP (Radio Access Network

Application Part) tương ứng từ / tới mạng lõi. SRNC cũng kết cuối báo hiệu điều

khiển tài nguyên vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN. Nó xử lýí số

liệu lớp 2 từ / tới giao diện vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một nút B nào đó

được MS sử dụng để kết nối với UTRAN.

- RNC kề cận DRNC (Drift RNC) là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển

các ô được MS sử dụng. Khi cần nó thực hiện kết hợp, phân chia ở phân tập vĩ

mô. DRNC không thực hiện xử lýí lớp 2 đối với số liệu tới / từ giao diện vô tuyến

mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur. Một UE có thể

có nhiều DRNC.

101

Nút B (trạm gốc)

Thực hiện xử lý lớp 1 của giao diện vô tuyến (mã hoá kênh, đan xen, thích ứng tốc

độ trải phổ). Nó cũng thực hiện điều khiển công suất vòng trong. Về chức năng nó giống

như trạm gốc BTS ở GSM.

6.2.3. Mạng lõi CN- HLR là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống nhà cung cấp sử dụng để lưu giữ

thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng bao gồm: thông tin về dịch vụ

được phép, các vùng không được chuyển mạng và thông tin về các dịch vụ bổ

xung như trạng thái và số lần chuyển hướng cuộc gọi.

- MSC/VLR là tổng đài MSC và cơ sở dữ liệu VLR để cung cấp dịch vụ chuyển

mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nó. Chức năng của MSC là sử dụng các

giao dịch chuyển mạch kênh CS (Channel Switch). Chức năng của VLR là lưu giữ

bản sao về lý lịch của người sử dụng khách cũng như vị trí chính xác của UE trong

hệ thống đang phục vụ. Phần mạng được truy nhập qua MSC/VLR gọi là vùng

CS.

- GMSC là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS, PLMN với mạng CS bên ngoài.

- SGSN có chức năng giống MSC/VLR nhưng sử dụng cho các dịch vụ chuyển

mạch gói PS (Packet Switch). Phần mạng truy nhập qua SGSN gọi là vùng PS.

- GGSN có chức năng giống GMSC nhưng liên quan đến dịch vụ PS.

6.3. Dãy giả ngẫu nhiên (PN)

6.3.1. Tạo dãy m

Các tính chất căn bản của kỹ thuật trải phổ là do tính chất của dãy giả ngẫu nhiên

(PN) tạo nên. Không thể tạo dãy giả ngẫu nhiên bằng cách lấy mẫu một quá trình ngẫu

nhiên vì như thế không thể tạo lại được nó ở bộ thu tương quan. Song có thể chủ động tạo

một dãy giả ngẫu nhiên bằng một bộ ghi dịch có phản hồi:

102

Hình 6 -1: Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính

Với mỗi xung nhịp, bộ ghi dịch lại chuyển tất cả nội dung sang bên phải, dãy {an}

được truyền đi với mỗi số dạng được tạo ra một cách tuyến tính từ r số hạng trước đó:

(6 – 1)

Ở đây tất cả các số hạng đều là số nhị phân (0 hoặc 1), c1 đến cr là các biến liên kết

(1 cho liên kết và 0 không cho liên kết). Các qui tắc nhân thông thường được duy trì song

phép cộng là module 2 (sau đó các ký hiệu nhị phân 0, 1 sẽ là 1 và -1 đồng thời thay thế

các bộ cộng hồi tiếp bằng phép nhân thông thường, các kết quả sẽ giống như vậy song

không còn tuyến tính theo nghĩa cổ điển nữa). Hàm số tương ứng với dãy được tạo ra là:

(6 – 2)

Trong đó D là toán tử trễ, số mũ của nó ứng với số đơn vị trễ.

Kết hợp 2 công thức trên ta có:

Hay: (6 – 3)

+

+ +

C C

a

an-1 an-2 an-r

103

(6 – 4)

gọi là đa thức sinh chỉ phụ thuộc véc tơ liên kết phản hồi c1, c2,

…, cr. Còn

(6 – 5)

Phụ thuộc véc tơ trạng thái ban đầu của a-r, a-r+1, …, a-1. Lưu ý là phải có cr = 1 vì

nếu không thì không cần đến r tầng ghi dịch.

Nếu véc tơ ban đầu có:

a-r = 1, a-r+1 = …. = a-2 = a-1 = 0 thì g0(D) = 1 và (6 – 6)

Trong các dãy được tạo ra như trên ta chú ý đến dãy có chu kỳ lặp lại lớn nhất. Sử

dụng các công thức nhận được có thể rút ra được 3 tính chất như sau:

1. Mỗi chuỗi ghi dịch tuyến tính (LSR) đều tuần hoàn với chu kỳ

Thật vậy bộ ghi có thể có 2r – 1 véc tơ trạng thái khác nhau (trừ trạng thái tất cả

đều bằng 0). Khi một véc tơ trạng thái nào đó được lặp lại sau P < 2r – 1 thì nó sẽ vẫn tiếp

tục lặp lại như vậy vì tất cả luôn phụ thuộc véc tơ trạng thái đầu. Chuỗi có độ dài cực lại

là chuỗi là chuỗi có chu kỳ p = 2r – 1 (là chu kỳ véc tơ)

2. Ngoại trừ các trường hợp suy biến, chu kỳ P của G(D) là số nguyên dương P

nhỏ nhất sao cho 1 – D p chia hết cho f(D)

Thật vậy trước hết ta có:

(6 – 7)

Sau đó xét trường hợp véc tơ trạng thái ban đầu chỉ có a-r = 1 nên g0(D) = 1, giả sử

G(D) tuần hoàn với chu kỳ P, ta có:

104

Do vậy: (6 – 8)

3. Điều cần thiết để G(D) tạo ra chuỗi có P = 2r – 1 (gọi là chuỗi MLSR hãy dãy

m) là f(D) cấp r phải là tối giản (không thể khai triển thành thừa số).

Thật vậy, nếu f(D) triển khai thành thừa số thì f(D) = s(D)*t(D)

Khi phân tích thành các nhân tố tối giản ta có:

(6 – 9)

Do đó chu kỳ G(D) chu kỳ [ ]*chu kỳ[ ]

Đó là điều mâu thuẫn, tức là nếu dãy có chu kỳ P = 2 r – 1 thì f(D) không thể triển

khai thành thừa số. Song chú ý là điều kiện trên không phải là điều kiện đủ.

Ví dụ 1:

Với r = 4, P = 24 – 1 = 15. Lấy f(D) = 1 + D + D2 + D3 + D4 là hàm tối giản, song

1 – D5 lại chia hết cho nó nên chu kỳ nó chỉ là 5. Để đạt được chu kỳ 15 ta phải dùng đa

thức f(D) = 1 + D + D4 cũng chia hết bởi 1 – D15 và không chia hết bởi 1 – Dk (với k<15).

Những đa thức bậc r có thể tạo ra chuỗi MLSR có chu kỳ 2r – 1 được gọi là đa

thức nguyên thủy. Tất cả các đa thức nguyên thủy tồn tại cho tất cả các bậc r > 1. các kết

quả nghiên cứu cho thấy số các đa thức nguyên thủy bậc r có thể tính như sau:

(6 – 10)

Ở đó 2r – 1 = là việc phân tích một số ra thừa số nguyên tố.

Ví dụ 2:

Với r = 2 2r – 1 = 3 NP(2) =

105

r = 3 2r – 1 = 7 NP(3) =

r = 4 2r – 1 = 15 =5.3 NP(4) =

r = 5 2r – 1 = 31 NP(5) =

r = 6 2r – 1 = 63 = 7.32 NP(6) =

Tìm các đa thức nguyên thủy ngày càng khó khi r càng lớn, song hiện nay có các

bảng tính sẵn. Các giá trị tiêu biểu được quan tâm của r là giữa 10 và 50.

6.3.2. Tính chất của chuỗi MLSR

1. Tính cân bằng

Trong số 2r véc tơ trạng thái có đúng một nửa là chẵn và một nửa là lẻ vì bỏ véc tơ

0 nên có 2r là lẻ và 2r – 1 là chẵn. Xác suất đầu ra bộ ghi dịch là:

(6 – 11)

(6 – 12)

Độ không cân bằng khi so sánh 2 biểu thức trên là 1/P, với r = 10, 30, 50 1/P

tương ứng xấp xỉ 10-3 , 10-9 , 10-15 .

2. Tính chất của khoảng chạy

Tần suất tương đối của các khoảng chạy n (gồm n số 0 và n số 1 liên tiếp) là 1/2n

với mọi và bằng 1/2r-1 với n = r và không có khoảng chạy nào có n > r.

3. Tính trễ và cộng sinh

Tổng module 2 của một dãy MLSR với chính nó trễ đi một số nhip cũng cho dãy

đó ứng với số nhịp trễ khác. Sử dụng tính chất này cùng với tính chất 1 sẽ rút ra là hai

dãy trễ của nhau sẽ có 2r-1 – 1 đồng đẳng và 2r-1 bất đồng đẳng (theo véc tơ trạng thái)

Nhận xét:

106

- Với độ mất cân bằng nhỏ 1/p (nhỏ hơn một phần triệu với r > 20) chuỗi MLSR

không thể phân biệt được với chuỗi nhị phận Bernoulli (là chuỗi nhận được khi

tung đồng xu) theo 3 tính chất nói trên

- Các tính chất trên còn thể hiện bằng các đại lượng trung bình và tương quan

theo thời gian, dựa trên việc ánh xạ số 0 thành một giá trị thực 1 và số 1 thành

một giá trị thực -1 rồi thực hiện phép nhân thông thường.

- Tính chất 1 sẽ là: (6 – 13)

- Tính chất 3 sẽ là: với (6 – 14)

= 1 với

6.3.3. Hàm tương quan của tín hiệu mã giả ngẫu nhiên

Mỗi ký hiệu trong tín hiệu mã giả nhẫu nhiên được gọi là chip, có độ dài T c. Tín

hiệu mã giả ngẫu nhiên là tín hiệu cực NRZ có thể biểu diễn như sau:

(6 – 15)

Với p(t) là xung chữ nhật có biên độ 1V trong khoảng [0, Tc].

có an là dãy mã nhị phân giả ngẫu nhiên.

Xét hàm tự tương quan của 2 tín hiệu giả ngẫu nhiên c’(t) và c(t) trong khoảng

thời gian T = L (độ dài của dãy).

(6 – 16)

Giả sử , . Khi đó có thể biểu diễn hàm tự tương quan như sau:

107

Hình 6 – 2: Độ trễ của bản tin tín hiệu

Đặt (6 – 17)

Phương trình được viết lại

(6 – 18)

Đối với trường hợp tự tương quan:

(6 – 19)

Tức là hàm tương quan được tính thông qua

Tính chất hàm tự tương quan:

Xét tín hiệu giả ngẫu nhiên c(t) biểu diễn dãy m dưới dạng tín hiệu cực NRZ

(6 – 20)

k = i.L: an + an+L = an + an = 0

k i.L: Theo tính cộng dịch an + an+k = an+k’

Áp dụng tính chất cân bằng của dãy m:

Thay vào kết quả phương trình tự tương quan, ta thấy nó tuần hoàn với chu kỳ T =

L. Tc có dạng như hình vẽ.

m + k m + k +1

m m m

Tc

108

Hình 6 – 3: Hàm tự tương quan của dãy m

Nhận xét:

Hàm tự tương quan có giá trị cực đại khi hai dãy giả ngẫu nhiên xắp hàng tương

ứng với nhau. Khi lệch nhau đến 1 chip sẽ cho tương quan cực tiểu.

6.3.4. Dãy Gold

Dãy m có đặc điểm là số dãy độc lập tạo ra không nhiều nên sau này sẽ không có

nhiều mã gán cho những người dùng khác nhau. Dãy Gold kết hợp 2 dãy m {an} và {a’n}

có cùng bậc N có dạng {an + a’n} có thể cho số dãy độc lập khá lớn đáp ứng đa truy cập

theo mã (CDMA). Hàm tương quan chéo giữa 2 dãy là khá nhỏ và nhận một trong các

giá trị sau:

(6 – 21)

Trong đó (6 – 22)

Ví dụ: Sơ đồ tạo dãy Gold bậc 9

1/L

Tc-Tc

T

Rc(T)1

LTc

109

Hình 6 – 4: Sơ đồ tạo dãy Gold từ 2 dãy m

6.4. Mã trực giao

Hai tín hiệu thực g(t) và x(t) gọi là trực giao trong khoảng [t1, t2] khi

(6 – 23)

Theo định nghĩa này một số kiểu mã khác được sử dụng và đóng vai trò quan

trọng trong điều chế tín hiệu:

- Mã trực giao: Các dãy mã trực giao là các dãy nhị phân được biểu diễn dưới

dạng dãy xung NRZ ( ). Các dãy này hoàn toàn trực giao (trong thời gian

của dãy) khi không có trễ giữa chúng. Tuy nhiên khi độ trễ giữa các dãy khác 0

thì tương quan chéo giữa chúng là đáng kể. các mã trực giao được dùng để

phân tách các kênh và mã hóa dữ liệu. có các loại phổ biến như mã Walsh, mã

cấu trức cây…

- Mã Walsh: Mã trực giao Walsh tạo ra bằng ma trận Hadamard theo cách sau:

H1 = [0]

….. (6 – 24)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

+

+

+

110

Trong đó là đảo của ma trận Hn (đảo các ký hiệu nhị phân). Một mã trực giao

có độ dài n là hàng của ma trận Hn. Có tất cả n ma trận trực giao có độ dài n. Trong hệ IS-

95 (theo tiêu chuẩn mạng tế bào CDMA của Qualcomm) thì các mã Walsh có độ dài 64

chip mã trong một chu kỳ, có tất cả 64 mã trực giao có thể sử dụng

6.5. Trải phổ dãy (chuỗi) trực tiếp (DS – SS)

Trải phổ dãy trực tiếp là cách trải phổ có được bằng cách nhân các xung đữ liệu

băng cơ sở với dãy giả ngẫu nhiên từ bộ phát mã giả ngẫu nhiên. Ký hiệu dạng sóng của

xung PN gọi à chip. Ký hiệu dữ liệu được đồng bộ là các bit thông tin hay các ký hiệu mã

nhị phân được cộng theo module 2 với chip trước khi điều chế pha. Bộ giải điều chế dịch

pha kết hợp hay vi phân kết hợp (đồng bộ) được dùng trong bộ thu. Tín hiệu trải phổ cho

người dùng đơn có thể biểu diễn:

(6 – 25)

Ở đó m(t) là dãy dữ liệu, p(t) là dãy trải PN, fc là tần số sóng mang, là góc pha

sóng mang tại t = 0. Dạng sóng dữ liệu là dãy theo thời fian các xung chữ nhật không đè

lên nhau, mỗi xung chữ nhật có biên độ là +1 hoặc -1. Mỗi ký hiệu m(t) biểu diễn kỹ hiệu

dữ liệu có chu kỳ Ts. Mỗi xung p(t) biểu diễn một chip cũng có dạng chữ nhật biên độ là

+1 hoặc -1 có chu kỳ Tc. Việc chuyển trạng thái của ký hiệu đữ liệu và chip trùng khớp

nhau khi tỷ số Ts chia Tc là một số nguyên. Nếu Wss là độ rộng của Sss(t) và B là độ rộng

của m(t)cos(2 fc). Sự trải do p(t) tạo ra sẽ cho Wss >> B. Minh họa bộ phát như hình sau:

111

Hình 6 - 5: Sơ đồ trải phổ dãy trực tiếp

Giả sử đồng bộ mã đạt được tại bộ thu, tín hiệu nhận được đi qua bộ lọc băng rộng

và nhân với dãy lặp lại p(t) tại chỗ. Nếu p(t) = thì phép nhân này cung cấp tín hiệu

giải trải s(t) tại lối vào của bộ giải điều chế. Vì s1(t) có dạng tín hiệu BPSK giải điều chế

tương ứng sẽ tách ra m(t) cho phổ nhận được của tín hiệu mang muốn và giao thoa tại lối

ra bộ lọc băng rộng.

Khi nhân với dạng sóng trải sẽ cho phổ ở hình 8 – 6. Độ rộng tín hiệu rút còn B

trong khi năng lượng giao thoa trải trên độ rộng vượt quá W ss. Bộ lọc của giải điều chế sẽ

lấy đi hầu hết phổ giao thoa không trùng với tín hiệu. Phép đo khả năng loại trừ giao thoa

cho bởi tỷ số Wss/B bằng hệ số sử lý định nghĩa là:

(6 – 27)

Hệ có hệ số sử lý lớn hơn sẽ nén giao thoa trong băng lớn hơn.

+ XLọc BPF

Đồng hồ chip Phát PNSóng mang fc

Bản tinSss(t)

a) Sơ đồ phát

XLọc băngGiải điều chế khóa dịch pha (hoặc vi phân)

Hệ thống đồng bộ

Phát mã PN

Dữ liệu nhận được

Tín hiệu trải phổ tại IF

b) Sơ đồ thu

112

Hình 6 – 6: Trải phổ tín hiệu và nén phổ tín hiệu

Đối với kênh đa đường: Phép nhân p(t).p(t - ) trong quá trình nén phổ giữ nguyên

độ rộng dải như đối với tín hiệu không có đồng bộ mã giả ngẫu nhiên. Tín hiệu này góp

phần rất nhỏ khi đi qua bộ tích phân (có tác dụng như bộ lọc thông thấp).

Trong hệ đa truy cập: Tương tự như trên p i(t).pj(t - ) với i j cũng giữ nguyên độ

rộng dải không có tác dụng nén phổ đối với tín hiệu không mong muốn. Do vậy hệ

thống trải phổ trực tiếp có thể chống được giao thoa đa truy cập (MAI: multiple Access

Interference).

6.6. Trải phổ nhảy tần (FH – SS).

Nhảy tần (FH) là sự thay đổi tuần hoàn tần số sóng mang. Tín hiệu trải phổ nhảy

tần là một dãy các cụm dữ liệu được điều chế với tần số sóng mang ngẫu nhiên thay đổi

theo thời gian. Tập các tần số sóng mang có thể được nhảy gọi là tập kênh. Độ rộng của

kênh dùng trong mỗi lần nhảy là độ rộng băng tức thời. Độ rộng phổ mà tín hiệu nhảu tần

có thể quét các kênh gọi là độ rộng nhảy tổng cộng. Qui luật nhảy của bên phát chỉ có

bên thu được biết. Trên mỗi kênh các cụm nhỏ dữ liệu được gửi dùng điều chế băng hẹp

thông thường trước khi nhảy lần nữa. Quá trình điều chế sơ cấp dữ liệu để tạo ra tín hiệu

băng hẹp sn(t) là FSK (hoặc là FSK có số M). Dữ liệu mã hóa dưới dạng tín hiệu cực

NRZ, d(t) =

(6 – 28)

Giao thoa

Giao thoa

Tín hiệu

Tín hiệu

Hệ số xử lý

Tần sốTần số

Mật

độ

phổ

Mật

độ

phổ

113

Một bộ tổng hợp tần số được sử dụng để tạo ra tín hiệu có tần số thay đổi sau

mỗi khoảng thời gian Th

(6 – 29)

Với M(t, Th) là một số ngẫu nhiên trong tập M số 1, 2, …, M. M(t, Th) được tạo ra

nhờ tổng hợp từ mã giả ngẫu nhiên.

Tín hiệu trải phổ nhảy tần Sss(t) được tạo ra khi nhân với tín hiệu băng hẹp

sn(t) (quá trình trộng tần).Sss(t) có tần số là:

(6 – 30)

t có thành phần cố định là và thành phần biến đổi là [d(t)+M(t,Th)]

Vì d(t) = còn M(t, Th) nhận giá trị từ 1 đến M nên Sss(t) chiếm dải tần là:

với M đủ lớn (6 – 31)

Nếu chỉ có một sóng mang được dùng trong mỗi lần nhảy điều chế được gọi là

điều chế kênh đơn. (hình 6 – 7)

Hình 6 – 7: Sơ đồ thi phát hệ trải phổ nhảy tần

Điều chế

Dao động Clock Phát PNĐồng bộ

tần số

Tín hiệu nhảy tần

Dữ liệu

X

a) Bộ phát

Lọc băng thông

Giải điều chế

Hệ đồng bộ

Đồng bộ tần số

Phát mã PN

Lọc dải rộng Dữ liệu

Tín hiệu nhảy tần

b) Bộ thu

114

Chu kỳ nhảy là Th. Độ rộng băng tổng cộng và độ rộng băng tức thời ký hiệu là

Wss và B. Hệ số sử lý cho hệ FH là = Wss/B

Nếu các mẫu nhảy tạo ra ở bộ thu đồng bộ với các mẫu tần nhận được, lối ra của

bộ trộn là tín hiệu giải nhảy tần có tần số cố định khác, trước khi giải điều chế tín hiệu

giải nhảy được cấp đến bộ thu thông thường. Trong FH mỗi khi có tín hiệu không mong

muốn chiếm cùng kênh nhảy, ồn và giao thoa trong cùng kênh được chuyển thành tần số

đi vào bộ giải điều chế có thể gây nên sự tranh chấp.

Nhảy tần được phân thành 2 loại nhanh và chậm. Nhảy tần nhanh xảy ra khi có

nhiều hơn một lần nhảy trong một ký hiệu truyền hay là tốc độ nhảy lớn hơn hay bằng tốc

độ ký hiệu thông tin. Nhảy tần chậm khi một hay nhiều ký hiệu được truyền trong một

lần nhảy. Tốc độ nhảy tần của hệ FH – SS được xác định bởi sự nhanh nhẹn của bộ tổng

hợp thu, loại thông tin truyền, lượng dư thừa được dùng trong mã kênh và cự ly đến nơi

giao thoa gần nhất.

6.7. Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp

Giả sử mỗi người dùng có dãy PN với N chip trong 1 chu kỳ ký hiệu bản tin T tức

là NTc = T. Tín hiệu được truyền bởi người dùng thứ k (với k người dùng chung phổ) có

thể biểu diễn:

X X 1

X X k

m1(t)

mk(t)

PN1(t)

PNk(t) cos(2fct+k)

cos(2fct+1)

S1(t)

Sk(t)

a) Mô hình k người dùng

X X T

dt0

(*)

PN1(t) 2cos(2fct+1)

><

zi(1) m’(t)r(t)

b) Bộ thu người dùng 1

s(t)

115

Hình 6 – 8: Hoạt động của trải phổ dãy trực tiếp

(6 – 32)

Ở đó pk(t) là dãy PN của người dùng thứ k, mk(t) là dãy dữ liệu của người dùng

thứ k (hình 8 – 8). Tín hiệu nhận được sẽ là tổng của K tín hiệu được phát (một mong

muốn và K – 1 không mong muốn). Tương quan tín hiệu thu được với dãy nhận biết

riêng sẽ tạo nên biến quyết định. Biến quyết định đối với bit được truyền thứ i đối với

người dùng thứ 1 là:

(6 – 33)

Nếu m1, i = -1, thì bit nhận được sẽ lỗi khi Zi(1) > 0. Xác suất lỗi được tính là:

Pr[Zi(1) > 0 | m1, i = -1]. Do tín hiệu nhận được r(t) là tổ hợp tuyến tính các tín hiệu.

Phương trình trên ta có thể viết lại là:

(6 – 34)

Ở đó: (6 – 35)

Là đáp ứng của bộ thu đối với tín hiệu mong muốn từ người dùng số 1

(6 – 36)

Là biến ngẫu nhiên Gauss biểu diễn ồn trung bình 0 và variance:

(6 – 37)

Và (6 – 38)

Biểu diễn giao thoa đa truy cập từ người dùng thứ k. Giả sử Ik là ảnh hưởng tích

lũy của N chip nhẫu nhiên từ giao thoa thứ k trong chu kỳ tích phân T của 1 bit. Lý

thuyết giới hạn trung tâm chứng tỏ rằng tổng các ảnh hưởng này có xu hướng như phân

116

bố Gauss. Vì có K – 1 người dùng như các nguồn giao thoa phân bố đều. Giao thoa đa

truy cập tổng cộng sẽ là:

(6 – 39)

Có thể xấp xỉ như biến Gauss ngẫu nhiên (coi mỗi Ik là độc lập, trên thực tế thì

khồng chính xác như vậy). Giả thiết xấp xỉ này sẽ cho một biểu diễn thuận lợi khi tính

xác suất trung bình lỗi bit:

(6 – 40)

Đối với người dùng đơn K = 1, biểu thức này rút thành biểu thức BER cho điều

chế BPSK. Trong trường hợp giới hạn bởi giao thoa ồn nhiệt có thể bỏ qua Eb/N0 rất là

lớn, biểu thức BER có giá trị bằng:

(6 – 41)

Đây là sàn nhiễu không thể làm nhỏ hơn do nhiễu đa truy cập với giả thiết là tất cả

các nguồn nhiễu có công suất như nhau giống như người mong muốn tại bộ thu DS – SS.

Trên thực tế hiệu ứng xa gần làm khó khăn cho hệ thống này. Nếu không có sự điềukhiển

công suất cẩn thận người dùng gần sẽ có năng lượng thu được nổi trội tại trạm cơ sở làm

cho giả thiết phân bồ Gauss không chính xác. Khi có một số lớn người dùng tốc độ lỗi bit

chịu ảnh hưởng của giao thoa đa truy cập

6.8. Hoạt động của trải phổ nhảy tần

Trong hệ FH – SS, một số người dùng nhảy tần sóng mang độc lập khi dùng điều

chế BFSK. Nếu 2 người dùng không đồng thời chiếm một kênh, xác suất lỗi của BFSK

là:

(6 – 42)

Tuy nhiên nếu 2 người dùng cùng phát đồng thời trên một kênh, tranh cháp xảy ra,

trường hợp này có thể cho xác suất lỗi là 0.5 và xác suất lỗi toàn thể có thể tính như:

117

(6 – 43)

Ở đó ph là xác suất tranh chấp, chúng phải được xác định. Nếu có M kênh nhảy có

thể thì có 1/M khả năng nguồn giao thoa đã cho có mặt trong kênh người dùng mong

muốn. Nếu có K – 1 nguồn giao tho, xác suất để ít nhất 1 nguồn có mặt trong kênh mong

muốn là:

khi giả sử M là lớn (6 – 44)

Thay vào phương trình xác suất lỗi ta có:

(6 – 45)

Xét trường hợp đặc biệt, Eb/N0 tiến đến vô cùng:

(6 – 46)

Nó minh họa tốc độ lỗi không thể giảm được do giao thoa đa truy cập.

Phân tích trên đã giả sử rằng tất cả người dùng nhảy tần đồng bộ, gọi là nhảy tần

khe. ĐIều này không thực tế trong nhiều hệ FH – SS. Thậm chí khi đồng bộ có thể đạt

được giữa các đồng hồ người dùng riêng rẽ, tín hiệu radio cũng không tới mỗi người

đồng bộ do trễ lan truyền sóng khác nhau, xác suất tranh chấp của hệ không đồng bộ là:

(6 – 47)

Ở đó Nb là số bit trên lần nhảy, so sánh các phương trình ta thấy trong trường hợp

không đồng bộ, xác suất tranh chấp tăng, do đó xác suất lỗi cho FH – SS không đồng bộ

là:

(6 – 48)

FH – SS có ưu điểm hơn DS – SS là không nhạy cảm với vấn đề gần xa, vì các tín

hiệu phát không cùng tần số. Mức công suất tương đối của tín hiệu không tiêu chuẩn như

118

trong DS – SS. Vấn đề xa gần không tránh được tất cả vì một số giao thoa vủa tín hiệu

mạnh chui vào từ kênh bên cạnh do bộ lọc không lý tưởng. Để loại trừ sự tranh chấp đôi

khi xảy ra cần phải có mã điều khiển lỗi, ứng dụng mã Read-Solomon mạnh hoặc những

mã hiệu chỉnh lỗi cụm khác sẽ làm hệ hoạt động tốt hơn nhiều ngay cẩ khi xảy ra tranh

chấp.

6.9. Hệ thống MC DS – CDMA

Để có thể cung cấp các dịch vụ băng rộng trong môi trường có nhiều người sử

dụng (các hệ đa dịch vụ trong tương lai) thì cần phải cung cấp một dải tần rộng cho mỗi

người dùng. Đáp ứng yêu cầu này cũng có thể ứng dụng trực tiếp kỹ thuật DS CDMA với

dải tần rộng, tuy nhiên sẽ có một số vấn đề trở ngại.

Ví dụ trong hệ DS CDMA theo tiêu chuẩn IS 95 băng tâng 1.25 MHz hoạt động

trong môi trường fading Rayleigh chọn lọc tần số và biến đổi chậm. Khi thời gian kéo dài

do fading đa đường trong trường hợp xấu nhất là 3 – 5 bộ thu RAKE phải bám từ 3

đến 6 thành phần tín hiệu đa đường (số nhánh đa đường tối đa có thể xấp xỉ theo công

thức B.Tm + 1 trong đó B là độ rộng của tín hiệu DS - SS cong Tm là độ kéo dài thời gian

trễ đa đường của tín hiệu tại máy thu, trong trường hợp ở đây là 3 - 5 ). Bây giờ giả sử

tăng độ rộng băng của tín hiệu DS CDMA lên 12.5MHz thì phải cần từ 30 đến 60 nhánh

thi phân tập (finger). Thêm nữa hệ thống DS CDMA băng rộng yêu cầu phải có một băng

tần liên tục mà trong một số trường hợp khó có thể đáp ứng được. Bây giờ nếu bạn thay

hệ thống chỉ có một sóng mang bằng cách sử dụng một hệ thống CDMA băng rộng mà

trong đó bao gồm nhiều hệ thống DS CDMA băng hẹp giống nhau (ở đây ta hiểu hệ

thống CDMA băng rộng có độ rộng băng lớn hơn độ rộng băng của Í 95 nhiều lần). Tổng

cộng độ rộng băng của các hệ băng hẹp này bằng độ rộng băng của hệ thống DS CDMA

khi có một sóng mang. Điều này cho phép không cần phải có một dải tần liên tục. Cách

truyền như thế gọi là DS CDMA đa sóng mang (MC DS CDMA).

Gọi Bsc là độ rộng của những dải tần số con này. Có thể chọn sao cho khoảng chip

T > Tm với Tm là độ kéo dài thời gian trễ để đảm bảo kênh truyền cới sóng mang này là

fading phẳng không bị ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số. Do vậy đối với 1 sóng

mang chỉ cần một bộ tương quan mà không cần phải sử dụng bộ thu phân tập đa đường.

Trong ví dụ trên nếu thay bằng hệ thống này thì cũng phải cần 30 – 60 bộ tương quan

ứng với 30 – 60 nhánh của bộ thu phân tập đa đường trong trường hợp chỉ có một sóng

119

mang nhưng hệ thống đa sóng mang có chất lượng thu tốt hơn. Kỹ thuật này sử dụng

phương pháp phân tập tần số thay cho phân tập theo miền thời gian như ở trong DS

CDMA thông thường. Phương pháp thu phân tập theo tần số cải thiện chất lượng tín hiệu

bằng cách truyền song song cùng một thông tin trên nhiều sóng mang độc lập.

6.9.1. Mô hình hệ thống MC DS – CDMA

Để tiện so sánh với hệ thống DS CDMA băng rộng chỉ sư dụng một sóng mang ta

coi hệ thống MC DS-CDMA cũng chiếm độ rộng băng tương đương. Độ rộng băng tổng

cộng sẽ là.

(6 – 49)

Trong đó là hệ số cắt lăn của bộ lọc tạo dạng sóng chip

Tc là khoảng chip của hệ thống DS CDMA một sóng mang

Hình 6 – 9: Phổ tần của đơn và đa sóng mang

Trong hệ thống đa sóng mang chia Bsc thành MR dải tần nhỏ bằng nhau không

chồng lấn. Các dải tần này không cần bắt buộc phải liên tục mà có thể phân bố rời rạc

(hình 6 – 9). Đây cũng là ưu điểm của MS DS-CDMA so với hệ DS CDMA chỉ có một

sóng mang vì hệ thống này bắt buộc phải được cấp một dải tần rộng liên tục. Độ rộng

băng của mỗi dải tần con là

(6 – 50)

MR: số sóng mang yêu cầu. Sau đây là mô hình của máy phát, kênh truyền và máy

thu.

BSC

f1 f2 f2 fMR

BSC

120

6.9.2. Máy phát

Sơ đồ khối của máy phát MC DS – CDMA của người sử dụng thứ k như hình 6 –

10. Trong đó gồm một bộ mã xoắn tốc độ 1/M. Bộ biến đổi nối tiếp thành song song M

hàng, bộ lặp với tỷ lệ 1/2R (tức 1 ký hiệu được lặp thành 2R ký hiệu) có nhiệm vụ sắp

xếp 2MR ký hiệu ra vào tương ứng với từng bộ điều chế QPSK DS/SS với MR sóng

mang. Bộ lặp cũng có nhiệm vụ của bộ ghép xen nhằm phân phối các ký hiệu mã xoắn

giống nhau trên những sóng mang khác nhau với khoảng cách trấng số đủ lớn làm giảm

xác xuất lỗi (hình 6 – 10)

Chú thích: m = [n/M] (cách ghép lấy phần nguyên)

N là số chíp mã hóa / một ký hiệu mã

Cn(k) dãy trải phổ ứng với người sử dụng thứ k

ax,m(k) và a’v,m

(k) tín hiệu điều chế đồng pha và vuông pha

v: chỉ số sóng mang

Máy phát người sử dụng thứ k

Bộ điều chế trải phổ trực tiếp kênh I và Q sóng mang fv

Hình 6 – 10: Mô hình trải phổ đa sóng mang

M ký hiệu 2MR ký hiệu

dm(k)

bi, j(k)

Mã xoắn tốc độ 1/M

S/P

Bộ lặp ký hiệu

tỷ lệ 1/2R và

ghép xen

Bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp QPSK

Tín hiệu phát

X XĐiều chế

xung

H(f) tạo dạng sóng Re[]

Năng lượng Ec

Chu kỳ = MRTc

e vkvtf

,2

2

Phần thựcav, m(k)-ja’v,m(k)

Cn(k)

121

fv tần số sóng mang thứ v

Re[] lấy phần thực

Hình 8 – 11: Phổ tần của tín hiệu đồng pha và vuông pha sau khi ghép xen và lặp lại

Việc sắp xếp các ký hiệu giống nhau như trên đẩm bào các sóng mang của cùng

một ký hiệu (phát song song) có khoảng cách tần số là lớn nhất để tránh tương quan lẫn

nhau nhờ đó tăng hiệu quả của việc thu phân tập tần số.

Với mỗi sóng mang fv sử dụng một bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp (QPSK). Dãy

ký hiệu lối vào của bọ điều chế có sóng mang fv (dạng phức) như sau:

Dãy ký hiệu này được nhân với mã trải phổ giả ngẫu nhiên cn(k) phân biệt người

sử dụng:

(6 – 51)

M = [n/N]. N: số chip mã / 1 ký hiệu

Dãy này được đưa qua bộ điều chế xung tạo ra một chip có năng lượng Ec, khoảng

thời gian giữa các xung là MRTc. Sau khi qua bộ lọc tạo dạng sóng chip H(f) (hàm truyền

có dạng cosin tăng thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist về dạng xung). Dãy trải phổ được

chuyển lên tần số sóng mang fv.

Cuối cùng sóng của MR bộ điều chế DS/SS được kết hợp với nhau tạo thành tín

hiệu tổng hợp MC DS – CDMA. Tín hiệu của người sử dụng thứ k có dạng:

(6

– 52)

Tín hiệu đồng pha (M = 6, R = 2)

Tín hiệu vuông pha

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

122

Trong đó h(t) là đáp ứng xung của bộ lọc tạo dạng chip

MRTc: khoảng chip của dãy trải phổ giả ngẫu nhiên trong hệ thống MC DS –

CDMA.

6.9.3. Kênh truyền

Coi kênh truyền vô tuyến là fading Rayleigh, chọn lọc tần số, biến đổi chậm có tạp

âm Gauss. Xét hệ DS CDMA một sóng mang, giả sử kênh truyền có độ kéo dài trễ là Tm.

Số nhánh phân tập đa đường là:

L = [Tm/Tc] (6 – 53)

Đáp ứng xung của kênh đối với tín hiệu đa đường là:

Trong đó là biến phức ngẫu nhiên Gauss có E[ ]=0 (6–54)

Mặt khác kênh cũng có thể xem xét qua độ rộng băng kết hợp của kênh

M và R cũng phải thỏa mã những yêu cầu sau:

Mỗi băng tần không bị tác động của kênh chọn lọc tần số, nghĩa làTm/MRTc

Tất cả các sóng mang của hệ MC DS – CDMA chịu tác động của fading độc lập

với nhau:

Từ các điều kiện trên ta được:

(6 – 55)

So sánh các bất đẳng thức có thể chọn MR = L, tức là số nhánh của bộ thu phân

tập đa đường trong hệ thống DS CDMS một sóng mang bằng số nhánh thu phân tập theo

tần số của MC DS – CDMA.

Theo cách ghép xen như ở sơ đồ, khoảng cách tối thiểu giữa hai sóng mang có

cùng ký hiệu mã là:

Suy ra: (6 – 56)

123

Điều này có nghĩa M 2 thì luôn đảm bảo các sóng mang được điều chế cùng một

ký hiệu mã bị fading độc lập với nhau do đó bộ pghân tập tần số có độ chính xác cao hơn.

Như kết quả ở trên có thể xét đáp ứng xung của kênh đối với sóng mang thứ v là:

Trong đó { }, v = 1, 2, … MR là biến phức ngẫu nhiên Gauss E[ ] = 0. Hàm

truyền đối với tần số thứ v của người sử dụng thứ k là:

và { } = [0.2 ] là các biến ngẫu nhiên độc lập Gauss

Tín hiệu thu được sẽ là:

x (6 – 57)

Với độ trễ ngẫu nhiên [0, MRTc], nw(t) là tạp âm trắng

cộng tính của môi trường có mật độ phổ công suất 2 phía là N0/2

Ku là số người dùng trong hệ thống đa truy cập

6.9.4. Máy thu

Sơ đồ máy thu đối với tín hiệu tương ứng của máy phát thứ

k:

Nguyên tắc máy thu là:

Đây là quá trình ngược lại với quá trình ở máy phát. Đầu

tiên tín hiệu thu được r(t) sẽ được đưa qua MR bộ giải điều chế

QPSK DS/SS song song với từng sóng mang fv (v = 1, 2, … MR).

Máy thu này sử dụng M bộ kết hợp tỷ số cực đại (theo phân tập tần

số). Một bộ cho kết quả dựa trên 2R ký hiệu lối vào. Lối ra của M

bộ kết hợp này là M ký hiệu mã xoắn song song. Sau khi chuyển

song song thành nối tiếp và giải mã xoắn dữ liệu thu được là

124

(a) Máy thu tín hiệu thứ k

(b) Bộ giải điều chế QPSK DS/SS của sóng mang fv

Hình 6 – 12: Bộ thu đa sóng mang

(a) Máy phát

2MR ký hiệu 2MR ký hiệu MR ký hiệu

r(t))(ˆ k

mdGiải ghép

xen

MR bộ giải điều

chế QPSK DS/SS

P/SM bộ kết hợp tỷ số cực đại

Giải mã xoắn

r(t)

1

0'

N

n

)2sin( ,vkvtf

)2cos( ,vkvtf

zv(1)

Cn’(k)

Cn’(k)

zv(Q)

Chu kỳ lấy mẫu = n’MRTc

LPF

LPF

1

0'

N

n

H’(f-fv)

H’(f+fv)

X X

XX

dm

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

b1, m

x(t)

Mã xoắn tốc độ 1/3

1/3 S/P

Bộ lặp tỷ lệ ½ và

ghép xen

f1

f1

f1

125

(b) M áy thu

Hình 6 – 13: Hệ thống thu phát đa sóng mang với M = 3, R = 1

Bộ giải điều chế QPSK DS/SS: Trong sơ đồ bộ giải điều

chế có sóng mang fv (v = 1, 2, … MR) gồm một bộ lọc dải thích

ứng dạng sóng, một bộ thu tương quan ứng với mỗi tín hiệu đồng

pha I và vuông pha Q.

Chú ý là H(f) thỏa mã tiêu chuẩn Nyquist. Gọi độ rộng băng

của H(f) là Bt , Bt MMC/2. Đây là điều kiện để các băng con

không bị chồng lấn, có thể bỏ qua hiện tượng nhiễu giữa các chip.

6.9.5. Đánh giá đặc tính hệ thống MC DS – CDMA

Để đánh giá được những ưu điểm của hệ MC DS – CDMA

có thể thực hiện so sánh với hệ DS CDMA một sóng mang trong

những điều kiện ban đầu là giống nhau (như dải tần được cấp, số

lượng người truy cập, độ phức tạp của máy thu, máy phát).

Chú ý rằng hệ DS CDMA một sóng mang ở đây có băng

rộng hơn CDMA IS 95 nhiều lần.

6.9.5.1. Chất lượng hệ thống khi thay đổi các thông số

Giả sử tốc độ dữ liệu và dải tần được cấp là không đổi,

nghĩa là tích MRN không đổi (với 1/M là tốc độ của mã xoắn, N là

f1

f1

f1

Giải ghép xen

P/S

Bộ kết hợp MRC



Giải mã

xoắn

dmx(t)

Giải điều chế QPSK DS/SS MRC: Bộ tổ hợp tỷ số cực đại

126

độ tăng ích sử lý của một sóng mang trong hệ thống MC DS –

CDMA, MR là số nhánh phân tập tần số ứng với mỗi ký hiệu mã).

Vấn đề là chất lượng của hệ thống thay đổi thế nào khi thay đổi

các thông số trên.

Nếu tăng M, khi đó tốc độ mã xoắn giảm đi (tức mã sẽ

mạnh hơn), cho phép hệ chống lại được giao thoa đa truy cập

(MAI) và fading tốt hơn.

Nếu tăng R, thì số nhánh phân tập tăng nên tăng khả năng

chống fading đa đường.

Nếu tăng N thì độ tăng ích tăng sẽ giảm được MAI.

Hình 6 – 14: Sự phụ thuộc BER vào Eb/N0 tương ứng với

từng R

127

Xét độ tăng ích của hệ thống DS CDMA một sóng mang

N0, với cùng một dải tần thì N0 = MRN, bộ lọc tạo dạng sóng có

dạng cosin tăng. Giả sử hệ số cắt lăn , N = 512. Bộ mã hóa

tỷ lệ ¼ (M = 4) độ dài ràng buộc K = 7. Số người sử dụng Ku =

100. Hình trên biểu diễn xác suất lỗi bit (BER) theo tỷ số Eb/N0

(với Eb là năng lượng của 1 tín hiệu, N0 là mật độ phổ công suất

một phía của tạp âm Gauss). Các đường cong ứng với R = 1 đến 4.

Từ đồ thị ta có thể thấy rằng ứng với R > 2 thì hiệu quả phân tập

tần số tăng lên không rõ rệt. Do vậy người ta thường chỉ chọn R =

2.

Hình 6 – 15: Sự phụ thộc BER vào Ku và N

Bây giờ ta cố định R = 2, thay đổi tốc độ mã xoắn với M =

4, 6, 8, 12, 16 với độ dài ràng buộc là K = 7. Xét trong 2 trường

hợp số người sử dụng là 100 và 200. Hình trên mô tả sự thay đổi

của BER vào Eb/N0 (dB) ứng với các giá trị của M trong 2 trường

128

hợp số người sử dụng là Ku = 100 và Ku = 200. Với Ku = 100 thì

việc tăng M cải thiện được chất lượng tín hiệu. Tuy nhiên khi Ku =

2—thì M = 12 lại cho BER thấp hơn. Trong thực tế khi Ku = 100

thì chọn M = 6 hoặc 8 là tốt nhất. Việc tăng M sẽ vi phạm điều

kiện đảm bảo mỗi sóng mang không bị fading chọn lọc tần số.

Thực tế chỉ cần chọn MR vừa đủ lớn để đảm bảo các sóng mang

không bị fading chọn lọc tần số và không làm tăng độ phức tạp của

thiết bị.

Biểu diễn chất lượng thu phụ thuộc vào độ dài mã xoắn K.

Với K tăng xác suất lỗi giảm song cũng sẽ tăng độ phức tạp của bộ

mã xoắn theo thuật toán.

Hình 6 – 16: Sự phụ thuộc của BER vào độ dài mã xoắn K

6.9.5.2. So sánh với hệ thống một sóng mang sử dụng bộ thu RAKE

129

Việc so sánh 2 hệ thống trên cơ sở giả thiết sau:

- Độ rộng băng được cấp là như nhau, tốc độ thông tin là như nhau.

- Hệ thống đơn sóng mang điều chế QPSK các chip có tốc độ, độ dài mã xoắn

giống như trong hệ đa sóng mang

- Năng lượng trung bình trên MR tần số của hệ bằng với nawng lượng trung

bình thu theo L đường của hệ đơn sóng mang.

- Điều khiển công suất của 2 hệ là tối ưu

- Mạch lọc tạo dạng chip có hàm truyền dạng cosin tăng

(6 – 58)

Trong đó: W =1/MRTc, là hệ số cắt lăn đối với

hệ đa sóng mang và W = 1/Tc trong hệ đơn sóng mang. Hệ số cắt

lăn là như nhau trong 2 hệ

+ Trong môi trường tạp âm Gauss và giao thoa đa truy cập

(không có các can nhiễu băng hẹp)

130

Hình 6 – 17: Sự phụ thuộc BER vào Ku với đa và đơn sóng

mang

Biểu diễn sự phụ thuộc BER theo Eb/N0 trong 2 trường hợp

số người sử dụng là Ku = 100 và Ku = 200. Cả 2 hệ dùng mã xoắng

tốc độ 1/6 (M = 6) độ dài ràng buộc K= 9. Hệ đa sóng mang: Số

sóng mang là MR = 12, hệ số sử lý trên mỗi sóng mang là N = 42.

Hệ đơn sóng mang: Bộ thu RAKE có số nhánh L = 12, hệ số xử lý

Nb = 85 (coi độ tăng ích sử lý ở đây là số chip trên một ký hiệu mã

xoắn để tiện so sánh với độ tăng ích trên một sóng mang của hệ đa

sóng mang, khác với số chip trên một ký hiệu dữ liệu N0 = 512)

Kết quả cho thấy trong môi trường AWGN và MAI thì BER của

hai hệ thống là xấp xỉ nhau khi 2 máy thu có cùng độ phức tạp.

+ Trong môi trường có tác động của giao thoa băng hẹp:

Can nhiễu băng hẹp là các tín hiệu có công suất lớn và dộ

rộng băng nhở hơn độ rộng băng của tín hiệu truyền. Các tín hiệu

131

gây giao thoa băng hẹp có tần số trung tâm nằm trong dải tần của

tín hiệu truyền. Để đánh giá khả năng chống giao thoa băng hẹp

người ta đánh giá BER phụ thuộc vào tỷe số công suất giao thoa /

công suất tín hiệu:

(6 – 59)

Trong đó Bj là độ rộng băng của tín hiệu giao thoa, Nj là

mật độ phổ công suất của giao thoa, Eb là năng lượng của một bit

tín hiệu, Tb là khoảng thời gian giữa 2 ký hiệu.

Hình 6 – 18: Sự phụ thuộc BER vào ISR với đơn và đa sóng

mang

Hệ thống đa sóng mang: Tốc độ bộ mã xoắn 1/8, độ dài

ràng buộc K = 7, Độ tăng ích trên mỗi sóng mang N = 32. Hệ đơn

soáng mang: Sử dụng bộ thu RAKE, số nhánh là L = 16, độ tăng

132

ích Nb = 64. Tín hiệu nhiễu có độ rộng băng Bj = 2BMC. Giả sử

Eb/N0 = 7dB, số người dùng Ku = 100.

Biểu diễn sự phụ thuộc BER vào tỷ số Eb/N0 tương ứng với

các giá trị ISR.

Nhận xét:

Môi trường truyền có ISR nhỏ thì 2 hệ thống có chất lượng

xấp xỉ như nhau. Nhưng nếu tín hiệu truyền bị tác động của tín

hiệu giao thao băng hẹp và có công suất lớn (ISR lớn), thì hệ MC

DS – CDMA có tính kháng nhiễu cao hơn nhiều so với hệ DS

CDMA chỉ có một sóng mang. Đây là ưu điểm đáng quan tâm khi

xây dựng CDMA băng rộng trong môi trường truyền sử dụng

chung với các hệ thông tin băng hẹpp khác như AMPS hay GSM.

Hình 6 – 19: Sự phụ thuộc BER vào Eb/N0 với đơn và đa

sóng mang

133

Kết luận:

MC DS – CDMA là một phương pháp mới áp dụng cho hệ

CDMA băng rộng. Hệ thóng này cũng có khả năng hạn chế fading

đa đường, giao thoa đa truy cập và giao thoa băng hẹp. Hệ thống

này có thể đảm bảo tính năng mã hóa giống như hệ DS – CDMA

thông thường với độ phức tạp như nhau. Hệ MC DS – CDMA sử

dụng phương pháp phân tập theo tần số thay cho phân tập theo thời

gian như trong DS CDMA một sóng mang, đồng thời sử dụng mã

trải phổ ngẫu nhiên có tốc độ chip thấp hơn. Hệ thống này kết hợp

nhiều tín hiệu DS CDMA băng hẹp mà mỗi tín hiệu băng hẹp này

có thể được định tần số sóng mang một cách linh hoạt. Ngoài ra

máy thu MC DS – CDMA cho chất lượng thu tốt hơn nhiều so với

DS CDMA trong những trường hợp kênh bị tác động của tín hiệu

giao thoa băng hẹp công suất lớn, đồng thời MC DS – CDMA lại

không đòi hỏi phải cấp một băng tần rộng liên tục. Đây là ưu điểm

của MC DS – CDMA so với DS CDMA thông thường. Các thông

số chính của MC DS – CDMA là hệ số phân tập tần số 2R (có thể

chọn R = 2), tốc độ mã hóa xoắn 1/M, độ tăng ích sử lý trên mỗi

sóng mang N

6.10. Điều chế OFDM

Bản chất của kỹ thuật đa sóng mang là kỹ thuật ghép kênh theo tần số (FDM –

frequency division multiplexing), trong đó dải tần của tín hiệu ban đầu được chia thành

cácc dải con, mỗi sóng mang trong dải tần đó được gọi là các sóng mang con hay thứ cấp

mang một phần thông tin. Trong các hệ thống FDM cổ điển toàn bộ dải tần của tín hiệu

được chia thành N kênh con mà chúng không chồng lên nhau. Mỗi kênh con được điều

chế với một tần số riêng sau đó N kênh con được ghép kênh theo tần số. Ngoài ra hệ

thống này còn đòi hỏi phải có khoảng bảo vệ giữa các kênh con để chống nhiễu giữa các

kênh lân cận, điều này dẫn tới hiệu suất sử dụng phổ không cao và thiếu hụt dải tần có

sẵn. Để khắc phục nhược điểm này một ý tưởng được đề suất từ những năm 60 là sử

dụng OFDM với các sóng mang trực giao chồng lấn lên nhau như hình 6 – 20.

134

Hình 6 – 20: So sánh kỹ thuật đa sóng mang trong OFDM và trong FDM

Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế sóng mang chồng lấn như hình vẽ trên có thể

tiết kiệm được khoảng 50% độ rộng băng tần. Tuy nhiên để có được hiệu quả như vậy

phải đảm bảo không có sự xuyên âm giữa các sóng mang, nghĩa là đảm bảo có sự trực

giao giữa các sóng mang. Khái niệm trực giao đòi hỏi mỗi liên hệ toán học chính xác

giữa các tần số của các sóng mang

Gọi là tập tín hiệu xác định trên và là tín hiệu thứ i trong tập, các tín hiệu là trực

giao nếu:

(6 – 60)

Trong kỹ thuật OFDM sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT – Discrete

Fourier Transform) được sử dụng để điều chế và giải điều chế tín hiệu nhằm đảm bảo sự

trực giao nói trên. Tại nơi phát quá trình phát các sóng mang thực hiện bởi phép biến đổi

IDFT (InverseDiscrete Fourier Transform). Tại nơi thu sử dụng phép biến đổi DFT và

-R R

W = 2R W = 2RN = 1

-R R

-R/4 3R/4-3R/4 R/4

W = 2R W = 2R

W = 2RW = 2R

N = 2

N = 3

f f

OFDM FDM

f-R/4 3R/4-3R/4 R/4

f

-R/3 2R/3-2R/3 R/3 -R/3 2R/3-2R/3 R/3

135

tính toán các giá trị tương quan với tần số trung tâm của mỗi sóng mang để mỗi một sóng

mang được giải điều chế chính xác. Khôi phục lại dữ liệu đã truyền mà không có sự

xuyên âm.

Hình 6 – 21: Phổ của một sóng mang (a) và phổ của tín hiệu OFDM (b)

Kỹ thuật OFDM có những ưu điểm nổi bật sau:

- Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ nhờ sự chồng lấn phổ

- OFDM chống lại được fading lựa chọn tần số tốt hơn so với hệ đơn sóng mang

- Loại trừ được ISI và ICI nhờ sử dụng tiền tố lặp (cyclic prefix)

6.10.1. Cấu trúc khung

Một vấn đề cần giải quyết đối với hệ đa sóng mang nói chung và OFDM nói riêng

là nhiễu giữa các ký hiệu (ISI - Interymbol interference). OFDM loại trừ gần như hoàn

toàn ISI nhờ việc tạo ra khoảng bảo vệ (guard time) trong các ký hiệu OFDM.

Một tín hiệu OFDM là tổng của các sóng mang thường được điều chế bằng cách

sử dụng dịch khóa pha (PSK – Phase Shift Key) hay điều chế biên độ vuông góc (QAM –

Quadrature Amplitude Modulation). Mỗi ký hiệu OFDM có thể biểu diễn như sau:

(6 – 61)

Trong đó:

Ns là số lượng các sóng mang

di là ký hiệu QAM hay PSK phức thứ i

T là độ rộng của ký hiệu

fc là tần số sóng mang

biểu diễn băng gốc phức tương đương như sau

136

(6 – 62)

Trong trường hợp này phần thực và phần ảo tương đương với thành phần đồng

pha (in-phase) và thành phần vuông pha (quadrature) trong tín hiệu OFDM.

Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ khối của điều chế OFDM.

Hình 6 – 22: Sơ đồ điều chế OFDM.

Tín hiệu OFDM phức trong phương trình trên là biến đổi fourier ngược của ký

hiệu QAM (hay PSK) lối vào. Trong hệ rời rạc thì đó là phép biến dổi Fourier rời rạc.

Thực tế phép biến đổi này có thể được thực hiện rất hiệu quả nhờ phép biến đổi ngược

Fourier nhanh (IFFT).

6.10.2. Kỹ thuật điều chế

Về mặt toán học mỗi sóng mang được miêu tả là 1 sóng mang phức

(6 – 62)

Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t), trong đó Ac(t) và là biên độ và pha của

sóng mang có thể thay đổi theo mỗi ký hiệu. Giá trị Ac(t) và là không đổi trên mỗi

thời khoảng Ts của ký hiệu.

Tín hiệu OFDM gồm nhiều sóng mang do đó các tín hiệu phức được biểu diễn là:

(6 – 63)

Data inS/P

Tín hiệu OFDM

)/)(exp( TttNj ss

137

Với

Nếu ta quan tâm tới dạng sóng của mỗi thành phần tín hiệu trên 1 khoảng ký hiệu

thì biến Ac(t) và có giá trị không đổi, chỉ phụ thuộc vào tần số của sóng mang xác

định. Vì vậy ta có:

An(t) => An

Nếu tín hiệu được lấy mẫu bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu thì tín hiệu thu được

là:

(6 – 64)

Phương trình trên có thể đơn giản hóa, không mất tính tổng quát. Giả sử ta có

(6 – 65)

Phương trình trên so với dạng chung của biến đổi Fourier tần số rời rạc có dạng

(6 – 66)

Trong phương trình trên thì chính là tín hiệu trong miền tần số được lấy

mẫu và Ss(kT) là biểu diễn trong miền thời gian của nó, do vậy 2 phương trình trên là

tương đương nếu:

(6 – 67)

Điều kiện trên giống như điều kiện đảm bảo cho sự trực giao giữa các sóng mang

nên phép biến đổi Fourier rời rạc được sử dụng để điều chế và giải điều chế tín hiệu

OFDM

138

Hình 6 – 23: Sơ đồ hệ thống OFDM dựa trên FFT

OFDM được tạo ra nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) tuy nhiên để thực hiện

tính toán các phép biến đổi Fourier một cách hiệu quả, thuật toán biến đổi Fourier nhanh

(IFFT và FFT) được áp dụng. Nếu số phép tính thực hiện do IDFT là N2 thì trong IFFT

chỉ là N/2lgN cho N điểm lối vào, do đó rút ngắn nhiều thời gian tính toán. Sơ đồ hệ

thống OFDM dựa trên phép biến đổi Fourierr có thể được mô tả như sau

Tại nơi phát: chuỗi dữ liệu nhị phân được mã hóa (thường mã chập), sau khi được

ghép xen (interleaving) chuỗi dữ liệu nhị phân được điều chế nhờ bộ điều chế QAM. Tín

hiệu được đưa vào bộ biến đôi IFFT, sau khi được chuyển thành dạng nối tiến tín hiệu

được thêm tiền tố lặp để chống nhiễu do hiệu ứng đa đường gây ra. Tạo cửa sổ

(windowing) được sử dụng sau đó để phổ của tín hiệu hẹp hơn.

Tại nơi thu: máy thu thực hiện ngược lại quá trình của máy phát, sau khi loại bỏ

tiền tố lặp tín hiệu được đưa vào bộ biến đổi FFT. Tín hiệu QAM sau đó được chuyển về

dạng nhị phân, sau cùng bộ giải mã tiến hành giải mã để thu được tín hiệu ban đầu.

6.10.3. Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp

Một trong những vấn đề quan trọng nhất của truyền thông vô tuyến là độ trải trễ

đa đường. OFDM giải quyết vấn đề này rất hiệu quả. Truyền thông song song nghĩa là

chuỗi dữ liệu vào được chia thành Ns sóng mang và độ rộng của ký hiệu (symbol

Data in

Data out

Tại nơi phát

Tín hiệu thu

Mã hóa Interleaving QAM

Giải mã De-Interleaving De-QAM

IFFT

FFT

D/A Chèn CP P/S

A/D Loại CP S/P

139

duration) nhỏ hơn Ns lần so với tín hiệu ban đầu. OFDM cũng giảm nhiễu tác động của

độ trải trễ đa đường với thời khoảng của ký hiệu (Symbol)

Nhiễu giữa các ký hiệu hầu như được loại bỏ nhờ việc tạo một khoảng bảo vệ

(guard time) cho mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ này được chọn lớn hơn độ trải trễ

đa đường sao cho các thành phần đa đường của một ký hiệu không thể gây nhiễu tới các

ký hiệu kế tiếp. Trong thời khoảng của khoảng bảo vệ không có tín hiệu nào được truyền

đi, tuy nhiên nhiễu giữa các sóng mang ICI vẫn tồn tại.

ICI là sự xuyên âm giữa các sóng mang với nhau, nghĩa là không có sự trực giao

giữa chúng. Hiện tượng này được minh họa như trên hình vẽ trên. Khi máy thu thực hiện

giải điều chế sóng mang 1, nó gặp nhiễu từ sóng mang thứ 2 do trong khoảng FFT không

có sai khác một số nguyên lần chu kỳ giữa các sóng mang 1 và 2. Để chống lại ICI các ký

hiệu OFDM được mở rộng một cách đều đặn vào thời gian bảo vệ gọi là tiền tố lặp (hình

6 – 25). Việc chèn tiền tố lặp được thực hiện bằng cách sao chép phần đầu của mỗi ký

hiệu OFDM vào phần cuối của ký hiệu đó.

Hình 6 – 24: Sự trễ của sóng mang 2 gây ra ICI trên sóng mang 1

Điều này đảm bảo cho các phiên bản trễ đa đường của ký hiệu luôn có một số

nguyên lần chu kỳ trong thời khoảng FFT (hình 6 – 26), do vậy các tín hiệu trễ đa đường

có độ trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ICI.

Sóng mang 1

Sóng mang 2

Khoảng bảo vệ

Khoảng tính FFT = 1 / khoảng cách sóng mang

Thời khoảng OFDM

Phần của sóng mang 2 gây ra ICI trên sóng mang 1

140

Nếu trễ đa đường vượt quá khoảng bảo vệ một phần nhỏ của thời khoảng tính FFT

(khoảng 3%) các sóng mang không còn trực giao nữa nhưng nhiễu vẫn vòn đẻ nhỏ để

giản đồ chòm sao chấp nhận được. Nếu trễ đa đường vượt quá khoảng bảo vệ 10% của

thời khoảng FFT thì giản đồ chòm sao bị ảnh hưởng nghiêm trọng, do vậy tỷ lệ lỗi là

không chấp nhận được.

Hình 6 – 25: Minh họa việc chèn CP

Hình 6 – 26: Ký hiệu OFDM với tiền tố lặp

6.10.4. Tạo cửa sổ

Về cơ bản tín hiệu OFDM có các sóng mang QAM không được lọc, do vậy phổ

ngoài dải tần sẽ giảm rất chậm theo hàm sinc. Để phổ ngoài dải giảm nhanh hơn tạo của

sổ được áp dụng cho mỗi ký hiệu OFDM. Mỗi ký hiệu OFDM được áp dụng cửa sổ sẽ có

Cyclic prefix x(0), x(1)……… x(N-2-M), x(N-1-M) … x(N-2), x(N-1)

TimeN-1N-1-M0-M

141

biên độ phổ giảm tới 0 một cách trơn tru tại biên của ký hiệu. Có rất nhiều loại cửa sổ

được dùng tuy nhiên loại thường dùng nhất là hàm cosin tăng, được định nghĩa là:

(6 – 68)

Trong đó Ts là khoảng của ký hiệu OFDM, là hệ số nghiêng (roll – off) của hàm

cosin tăng. Ts nhỏ hơn tổng thời khoảng của ký hiệu vì các ký hiệu lân cận nhau được

phép chồng lần một phần lên nhau, do vậy cấy trúc của tín hiệu OFDM theo thời gian có

dạng như sau:

Hình 6 – 26: Sự mở rộng của chu kỳ của OFDM

6.10.5. Ghép xen

Do fading lựa chọn tần số trong kênh vô tuyến, các sóng mang OFDM thường có

biên độ khác nhau. Sự thăng giáng sâu trong phổ tần số là nguyên nhân một nhóm các

sóng mang là kém tin cậy so với các sóng mang khác, do vậy lỗi bit xẩy ra một cách đột

ngột chứ không phân tán một cách ngẫu nhiên. Ghép xen được sử dụng để ngẫu nhiên sự

nảy sinh lỗi bit trước khi được giải mã. Tại nơi phát các bit mã hóa được hoán vị theo

một cách nhất định để đảm bảo rằng các bit liền kề được cách nhau một vài bit sau khi

ghép xen. Tại nơi thu, sự hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã. Kiểu ghép

xen thường được sử dụng là xen khối (block interleaver), trong đó chuỗi dữ liệu vào được

đưa vào một ma trận theo cột và được đọc ra theo hàng. Bảng 1 sau đây trình bày nguyên

lý ghép xen.

Tprefix

Tt = T+ Tc

T Tpostfix

Ts

142

0 8 16 24 32 40

1 9 17 25 33 41

2 10 18 26 34 42

3 11 19 27 35 43

4 12 20 28 36 44

5 13 21 29 37 45

6 14 22 30 38 46

7 15 23 31 39 47

Thông thường bộ ghép xen khối có kích thước của khối là Mb bit và d cột, bit thứ i

liên hệ với bit mã hóa thứ k lối vào là:

(6 – 69)

6.10.6. Tác dụng của chèn CP

6.10.6.1. Bên phát

Giả sử một hệ thống OFDM gồm N sóng mang thứ cấp, độ rộng băng là W Hz, độ

rộng ký hiệu là T (s), sử dụng chèn CP

Các sóng mang thứ cấp có dạng:

(6 – 70)

Trong đó T là thời khoảng của một ký hiệu OFDM sau khi chèn CP, ,

TCP là thời khoảng của ký hiệu chèn CP (được chọn lớn hơn độ trải trễ của kênh)

Chú ý rằng khi t nằm trong thời khoảng của tiền tố lặp

.

143

Khi là xung chữ nhật được điều chế với sóng mang tần số kW/N thì hiểu

theo một cách thông thường là hệ thống sử dụng N sóng mang thứ cấp có tốc độ thấp. Do

vậy ký hiệu OFDM thứ l của sóng mang thứ k của tín hiệu thông thấp tương đương là:

(6 – 71)

Trong đó xk,l là tập các ký tự trong giản đồ chòm sao. Khi vô số các ký hiệu

OFDM được truyền đi, lối ra của bộ phát là:

(6 – 72)

6.10.6.2. Kênh truyền

Giả sử kênh có đáp ứng xung là biến đổi theo thời gian với độ trải trễ

thì tín hiệu đến nơi thu sau khi qua kênh là:

(6 – 73)

Trong đó là nhiễu Gauss trắng cộng vào kênh truyền

6.10.6.3. Bên thu

Để khôi phục lại tín hiệu truyền, bên thu sẽ sử dụng các hàm sóng mang cơ sở

với k = 0, 1, …, N – 1 thỏa mãn điều kiện sau:

(6 – 74)

Khoảng thời gian bên thu được dùng là T - TCP đúng bằng thời gian của tín hiệu

ban đầu khi chưa chèn CP. Đây chính là quá trình tách CP và loại bỏ nhiễu ISI. Thật vậy

khi độ trải trễ của kênh nằm trong khoảng thời gian của CP nên việc tính toán được thực

hiện trên khoảng thời gian của mỗi ký hiệu truyền đi. Từ đó ta có thể bỏ qua chỉ số thứ l

khi tính toán lối ra của sóng mang thứ k. Tín hiệu thu được có dạng:

(6 – 75)

144

Giả sử kênh truyền là không đổi trong thời khoảng một ký hiệu OFDM khi đó có

thể bỏ qua biến t trong khi đó công thức trên trở thành:

(6 – 76)

Khoảng lấy tích phân trong công thức trên dẫn đến ta có:

(6 – 77)

(6 – 78)

Thực hiện lấy mẫu đáp ứng xung của kênh tại các tần số ta có:

(6 – 79)

Sử dụng biến đổi fourier ta có thể biể diễn lại là:

(6 – 80)

(6 – 81)

Với : Do các sóng mang là trực giao ta có:

(6 – 82)

Trong đó là xung Dirac, Từ đó ta có phương trình:

yk= xkhk + nk (6 – 83)

Từ kết trên ta thấy yk không phụ thuộc vào xl với l k, như vậy giá trị thu được sau

khi giải điều chế tín hiệu OFDM có sử dụng CP đã loại bỏ được ảnh hưởng của ISI và

ICI do giữ được tính trực giao giữa các sóng mang con.

145

6.10.7. Lựa chọn các thông số

Việc lựa chọn các thông số cho hệ OFDM là khá khó khăn do mâu thuẫn giữa

các yêu cầu nên cần có sự dung hòa giữa các thông số của hệ thống.

Thường có ba thông số chính đặt ra trước tiên là: Độ rộng băng, tốc độ bit, và độ

trải trễ. Độ trải trễ ảnh hưởng trực tiếp tới khoảng bảo vệ. Khoảng bảo vệ thường chọn

bằng 2 tới 4 lần căn quân phương trải trễ. Giá trị chính xác phụ thuộc vào loại mã hóa và

phương pháp điều chế.

Để tối thiểu sự tổn hao trong tỷ số SNR gây ra bởi khoảng bảo vệ, độ rộng của ký

hiệu phải lớn hơn khoảng bảo vệ. Nó không thể chọn tùy ý vì khi độ rộng của ký hiệu

tăng lên thì số sóng mang thứ cấp cũng tăng theo, dẫn đến sự phức tạp trong thực hiện và

hệ nhạy hơn với nhiễu pha và offset tần số. Thông thường độ rộng ký hiệu OFDM chọn

bằng ít nhất 5 lần khoảng bảo vệ ứng với mất mát trong SNR khoảng 1dB.

Sóng mang con Ns được xác định trực tiếp theo khoảng cách sóng mang hay

Ns=1/T. Số sóng mang con có thể tính được bằng cách lấy tốc độ bit yêu cầu chia cho số

bit trên mỗi sóng mang. Số bit trên mỗi sóng mang được định nghĩa bởi loại điều chế sử

dụng (QPSK, 16QAM, 64QAM,…), tỷ lệ mã hóa (coding rate), và tốc độ dữ liệu (symbol

rate).

Ví dụ:

Thiết kế một hệ OFDM thỏa mãn các yêu cầu:

Tốc độ bit: 20Mbps

Dung sai trải trễ cho phép: 200ns

Độ rộng băng: <15MHz

Giải:

Từ giả thiết trên ta xác định được khoảng thời gian bảo vệ Tg = 800 ns (4 lần dung

sai trải trễ). Chọn khoảng OFDM bằng 6 lần thời gian bảo vệ Ts = 6*800ns = 4.8 để

tổn hao trong SNR nhỏ hơn 1dB.

Khoảng cách giữa các sóng mang con là 1/(4.8 - 0.8) = 250KHz.

Số sóng mang con được xác định dựa theo tỷ số giữa tốc độ bit yêu cầu và tốc độ

ký hiệu OFDM. Để đạt được 20Mbps, mỗi ký hiệu OFDM phải mang 96 bit thông tin

(96/4.8 = 20 Mbps) do đó có 2 sự lựa chọn.

146

- Sử dụng 16QAM, tỷ số mã hóa ½ để có 2 bit / mỗi sóng mang, trường hợp này

cần 96/2 = 48 sóng mang con.

- Sử dụng QPSK, tỷ số mã hóa ¾ để có 1.5 bit trên mỗi sóng mang. Trường hợp

này cần 96/1.5 = 64 sóng mang con.

Nhưng với 64 sóng mang con thì độ rộng băng W là 64*250 = 16MHz, nên không

thỏa mãn. Vậy để có W < 16 MHz thì số sóng mag phải có nhỏ hơn 64, do đó chọn 48

sóng mang và điều chế 16QAM là đáp ứng được yêu cầu. Một thuận lợi khác của sự lựa

chọn này là có thể thực hiện IFFT / FFT cơ số 4 của 64 điểm rất hiệu quả khi xen thêm

16 sóng mang bằng 0 vào 48 sóng mang ở trên đê tăng tốc độ lấy mẫu cần thiết, tránh sự

chồng lấn phổ có thể xẩy ra.

Ngoài ra một yêu cầu nữa có thể ảnh hưởng việc lựa chọn các thông số là sự đảm

bảo tồn tại một số nguyên lần mẫu trong thời khoảng tính FFT. Với ví dụ trên, cần phải

có chính xác 64 mẫu trong thời khoảng FFT để đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang

con. Điều này đạt được bằng cách thực hiện lấy mẫu ở tốc độ 64/4 = 16 MHz. Tuy nhiên,

tốc độ lấy mẫu thực tế sẽ không có được một số nguyên mẫu trong khoảng 4.8 của ký

hiệu, nên giải pháp là thay đổi một trong các thông số. Chẳng hạn số mẫu mỗi ký hiệu có

thể đặt là 78, tốc độ lấy mẫu là 78/4.8 = 16.25 MHz. Thời khoảng FFT là 64/16.25 =

3.9385 . Do vậy khoảng bảo vệ và khoảng cách sóng mang con bây giờ lớn hơn so với

trường hợp khi khoảng FFT là 4 .

6.10.8. Ứng dụng của OFDM

Với những ưu điểm của mình PCM nói chung và OFDM nói riêng ngày càng được

đưa vào áp ụng trong thực tế. Gần đây như: Phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB).

Kết quả thử nghiệm trong lĩnh vực này cho thấy chất lượng âm thanh và hình ảnh được

nâng lên rất nhiều, nên càng khảng định được ưu điểm của kỹ thuật OFDM so với kỹ

thuật tương tự.

DAB được chuẩn hóa năm 1995 bởi ETSI (European Telecommunication

Standard Institute) là tiêu chuẩn đầu tiên sử dụng OFDM.

Hệ thống truyền hình số mặt đát (DVB – T) được chuẩn hóa năm 1997. DVB – T

áp dụng kỹ thuật OFDM sử dụng 2 mod là 1705 và 6817 sóng mang thứ cấp. Các mod

này được xem như là các mod 2K và 8K tương ứng bởi các mod đó chính là kích thước

IFFT / FFT sử dụng để phát và giải điều chế cho các sóng mang thứ cấp. nguyên nhân

147

quan trọng để sử dụng OFDM trong DAB và DVB – T là khả năng thực hiện mạng tần số

chung.

Ngoài ra OFDM còn sử dụng trong ADSL, HDSL, HIPERLAN….

148

Chương 7:

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3

7.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di độngt hế hệ thứ 3

Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R (International Telecomemunication Union Radio Sector: Liên minh viễn thông quốc tế - Bộ phận vô tuyến) đã xây dựng tiêu chuẩn cho IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000:viễn thông di động quốc tế-2000).IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trường thông tin.Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2(2G) vào những năm 2000.Thông tin tin động thế hệ 3 (3G)xây dựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ được đưa vào phục vụ từ năm 2001.Các hệ thống 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm:thoại,số liệu tốc độ bit thấp và bit cao, đa phương tiện,video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở,vùng dân cư,phương tiện vận tải…)

Các tiêu chí chung để xây dụng IMT-2000 như sau:

►Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2Ghz như sau:

- Đường lên :1885-2025 Mhz.

- Đường xuống:2110-2200 Mhz.

► Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến :

- Tích hợp các mạng thông tin hưũ tuyến và vô tuyến.

- Tương tác với các loại hình dịch vụ viễn thông.

►Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau:

- Trong công sở.

- Ngoài đường.

- Trên xe.

- Vệ tinh.

►Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

149

- Môi trường thông tin nhà ảo (VHE:Virtual Home Environment)trên cơ sở mạng thông minh,di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.

- Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.

- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại,số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.

►Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

Môi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành 4 vùng với các tốc độ bit R b

phục vụ như sau:

- Vùng 1:trong nhà, ô pico, Rb≤ 2Mbit/s.

- Vùng 2:thành phố, ô micro, Rb≤ 384kbit/s.

- Vùng 3:ngọai ô, ô marco, Rb≤ 144kbit/s.

-Vùng 4:toàn cầu Rb= 9,6kbit/s.

7.2. Hệ thống CDMA

7.2.1. Vùng phủ sóng của cdma 2000

Với hệ thống tổ ong CDMA, vùng diện tích dịch vụ được chia thành các ô

lục giác. Mỗi ô gồm một trạm cơ sở, trạm này được nối với tổng đài chuyển mạch

điện thoại di động (MTSO) trong suốt quá trình mã hoá và giải mã tiếng nói. Trong

mỗi ô có hai kết nối bao gồm các kênh CDMA thuận và ngược giữa trạm cơ sở và

mỗi máy di động trong ô. Kênh CDMA thuận dịch nội dung liên kết thuận từ trạm cơ

sở tới máy di động. Kênh CDMA ngược biểu diễn sự liên kết ngược từ máy di động

tới trạm cơ sở.

CDMA tái sử dụng tần số tỷ lệ trong từng ô tổ ong và điều khiển dung lượng

hệ thống một cách có hiệu quả bởi vì CDMA là kiểu chống nhiễu tuyệt vời.

Kênh CDMA thuận gồm một hoặc nhiều kênh mã, được truyền theo việc gán

tần số CDMA, sử dụng độ dịch hoa tiêu PN cụ thể. Mỗi trạm cơ sở dùng một độ dịch

thời gian của chuỗi PN hoa tiêu (pilot) (gọi là chuỗi giả nhiễu trải) để nhận dạng

kênh CDMA thuận. Độ dịch thời gian có thể tái sử dụng trong hệ thống tổ ong

CDMA.

Mỗi kênh mã truyền trong kênh CDMA thuận được trải một cách trực giao

bởi hàm Walsh phù hợp tạo ra sự phân kênh trực giao trong tất cả các kênh mã và

sau đó được trải ra bởi một cặp ghép cầu phương (cùng pha và vuông pha) của chuỗi

150

PN hoa tiêu, mục đích của việc này là để truyền tín hiệu trải dạng sóng dịch pha

vuông góc (QPSK).

Kênh CDMA ngược gồm các kênh truy cập và kênh lưu thông ngược. Kênh

truy cập (kênh lối vào) được sử dụng cho việc trao đổi tin báo hiệu ngắn cho các

cuộc gọi gốc, trả lời các bản tin, các lệnh và sự đăng kí. Tất cả dữ liệu truyền trên

kênh CDMA ngược được mã hoá chập dùng để sửa lỗi, xen khối (block interleaved)

để tránh lỗi cụm và cải thiện chất lượng hệ thống bởi độ dư thừa truy cập (access

redundancy). Các dữ liệu được điều chế bởi hàm Walsh 64 mức nhằm tạo ra sự phân

đường trực giao và trải phổ trực tiếp bởi mã dài (long code) để đạt được sự bảo mật

giới hạn trong một quá trình truyền.

7.2.2. Cấu trúc của kênh cdma 2000

Các kết nối của CDMA thuận gồm kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ, nhắn tin và

một số kênh lưu lượng thuận. Một ví dụ tiêu biểu của kênh CDMA thuận gồm 64

kênh mã. Trong số 64 kênh mã, CDMA thuận gồm kênh hoa tiêu, một kênh đồng bộ,

7 kênh nhắn tin, 55 kênh lưu thông thuận.

Kênh hoa tiêu là tín hiệu không điều chế, trải phổ trực tiếp và truyền liên tục

bởi mỗi trạm cơ sở CDMA. Máy di động giám sát kênh hoa tiêu để thu nhận tín hiệu

định thời của kênh CDMA thuận và cung cấp pha chuẩn cho giải điều chế kết hợp.

Kênh mã số không (Wo) luôn luôn được gán cho kênh hoa tiêu.

Kênh đồng bộ được gán cho kênh mã số 32 (W 32 ) kênh này vận chuyển bản

tin đồng bộ tới máy di động. Quan trọng hơn, kênh đồng bộ là tín hiệu trải phổ đã

mã hoá, xen kẽ, trải, và điều chế mà tín hiệu này được sử dụng bởi các máy di động

để thu tín hiệu định thời gốc.

Kênh nhắn tin cũng là tín hiệu trải phổ đã mã hoá, xen kẽ, trải và điều chế

được sử dụng cho sự truyền thông tin điều khiển và bản tin từ trạm cơ sở tới máy di

động. Kênh nhắn tin được gán cho kênh mã từ số 1 đến số 7 (W 1 –W 7 ).

Kênh lưu lượng thuận được sử dụng cho phát thông tin của ngư ời dùng và

báo hiệu từ trạm cơ sở tới một máy di động trong suốt thời gian cuộc gọi. Số kênh

lưu lượng thuận tối đa bằng 63 trừ đi số kênh đồng bộ và kênh nhắn tin hoạt động

trong cùng kênh CDMA thuận.

Tốc độ dữ liệu tại lối vào kênh là như sau:

1. Kênh hoa tiêu truyền tất cả bit 0 ở tốc độ 19,2 kbps

151

2. Kênh đồng bộ hoạt động ở tốc độ cố định 1200bps

3. Kênh nhắn tin hỗ trợ tốc độ dữ liệu cố định hoạt động ở tại 9600, 4800, hoặc

2400 bit/s.

4. Kênh lưu lượng thuận hỗ trợ dữ liệu thay đổi ở tốc độ 9600, 4800, 2400 hoặc

1200 bit/s.

Những ký hiệu đã mã hoá thông thường được xác định là lối ra của bộ mã

hoá sửa lỗi. Các bit thông tin là lối vào của bộ mã hoá và các ký hiệu mã là lối ra

của bộ mã hoá. Tất cả các kênh mã trừ kênh hoa tiêu, mỗi ký hiệu đã mã hoá được

lặp lại trước khi xen khối bất cứ khi nào tốc độ thông tin thấp hơn 9600 bit/s.

Với kênh lưu thông và kênh nhắn tin, sự lặp lại phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu

của mỗi kênh. Mỗi ký hiệu mã ở tốc độ dữ liệu 4,8 kp/s được lặp lại một lần (mỗi ký

hiệu 2 lần). Mỗi ký hiệu mã ở tốc độ 2,4 kb/s lặp lại 3 lần (mỗi ký hiệu 4 lần). Mỗi

ký hiệu mã ở tốc độ dữ kiệu 1,2 kb/s lặp lại 7 lần (mỗi ký hiệu 8 lần). Vì vậy, với tất

cả các tốc độ dữ liệu (9.6, 4.8, 2.4, và 1.2 kb/s) sự lặp lại ký hiệu sẽ dẫn đến tốc độ

ký hiệu điều chế không đổi 19.2 ksps. Với kênh đồng bộ, mỗi ký hiệu mã hoá được

lặp lại 1 lần (mỗi ký hiệu 2 lần) và tốc độ ký hiệu điều chế là 4800 sps.

Tất cả các ký hiệu sau khi lặp trong kênh đồng bộ, nhắn tin, lưu thông thuận

được xen khối. Mục đích của việc sử dụng xen khối là bảo vệ dữ liệu khỏi lỗi cụm

trong khi truyền chúng qua môi trường fading đa đường. Sau khi xen kẽ, mỗi kênh

mã trong kênh CDMA thuận được trải trực giao bởi một trong 64 hàm Walsh và sau

đó được trải bởi một cặp trực giao của chuỗi hoa tiêu PN ở tốc độ chip cố định

1.2288 Mcps. Dữ liệu nhị phân (0 hoặc 1) trải trực giao được cung cấp cho các mạch

lọc băng gốc. Tiếp sau mạch lọc băng gốc, kênh CDMA thuận gồm khoá dịch pha

nhị phân, dữ liệu được điều chế với sóng mang để tạo ra khoá dịch pha vuông góc

QPSK trước khi truyền.

Xáo trộn dữ liệu thích hợp để cung cấp cho kênh nhắn tin và kênh lưu thông

thuận. Xáo trộn dữ liệu được thực hiện trong bộ xen khối (block interleaver). Tại lối

ra, tốc độ ký hiệu điều chế 19,2 ksps. Xáo trộn dữ liệu được thực hiện nhờ việc cộng

modunlo-2 của tín hiệu lối ra bộ xen kẽ với giá trị nhị phân của mã dài. Mã dài là

một chuỗi PN 2 42 -1. Chuỗi này sử dụng cho sự xáo trộn trong kênh CDMA thuận (cụ

thể là kênh nhắn tin và lưu thông thuận) và trải phổ trong kênh CDMA ngược (cụ thể

là kênh truy cập và kênh lưu thông ngược)

152

Mặt nạ mã dài là số nhị phân 42-bit. Mỗi chip PN của mã dài được tạo ra bởi

phép nhân modulo-2 của 42 bit mặt nạ và 42 bit trạng thái LFSR trong máy phát mã

dài. Mã dài hoạt động ở tốc độ đồng hồ 1.2288MHz là tương đương với chuỗi chip

PN ở lối ra của máy phát mã dài. Chú ý là chip PN được định nghĩa là một bit trong

chuỗi PN. Khi mã dài được chia thành 64bit (hoặc chip), bit đầu tiên trong 64 bit

được sử dụng cho việc xáo trộn dữ liệu ở tốc độ 19,2 bit/s.

Trạm cơ sở không đưa vào kênh con điều khiển công suất trong kênh nhắn

tin. Nhưng kênh con điều khiển công suất trong kênh lưu thông thuận truyền các bit

điều khiển công suất một cách liên tục ở tốc độ 800 bit/s cụ thể là một bit (0 hoặc 1)

truyền với tốc độ 1,25ms (=1/800). Bit điều khiển công suất ‘0’ thể hiện máy di

động cần tăng mức điều khiển công suất ra trung bình và bit điều khiển công suất ‘1’

chỉ ra rằng máy di động cần giảm mức công suất ra trung bình. Vì vậy máy di động

sẽ điều chỉnh mức công suất ra trung bình của nó để đáp ứng sự nhận bit điều khiển

công suất đúng trong kênh lưu thông thuận.

Kênh CDMA ngược bao gồm kênh truy cập, kênh lưu thông ngược. Dữ liệu

truyền trong kênh CDMA ngược được nhóm thành các khung 20ms. Tất cả dữ liệu

truyền trong kênh CDMA ngược được mã hoá cho việc sửa lỗi ngẫu nhiên để bảo vệ

bộ xen khối khỏi lỗi cụm (burst). Các dữ liệu này được điều chế bởi các mã 64-

Walsh. Chúng gồm 64 chip và được trải phổ chuỗi trực tiếp bởi mã dài chu kì 2 42 -1

chip trước khi truyền.

Bộ ngẫu nhiên cụm dữ liệu không được sử dụng khi máy di động truyền

trong kênh truy cập. Nhưng trong kênh ngược, bộ ngẫu nhiên cụm dữ liệu tạo ra

phần mặt nạ gồm các số 0 và 1. Các số này che đi những dữ liệu thừa tạo ra bởi sự

phát lặp mã. Kênh lưu thông ngược và kênh truy cập được trải chuỗi trực tiếp bởi mã

dài. Sự trải chuỗi này liên quan đến cộng modulo-2 của tín hiệu lối ra từ bộ ngẫu

nhiên.

Một khung được định nghĩa là khoảng định thời cơ bản trong hệ thống. Với

kênh truy cập, kênh nhắn tin, và kênh lưu lượng thuận nghịch thì 1 khung kéo dài 20

ms. Với kênh đồng bộ, 1 khung là 26.666 ms.

Bộ chỉ thị giá trị khung là kiểm tra CRC cho khung kênh lưu thông là 9600

bit/s và 4800bit/s. Mã dư thừa tuần hoàn (CRC) là 1 lớp mã dò lỗi tuyến tính tạo ra

các bit kiểm tra chẵn lẻ bằng cách tìm ra phần dư của phép chia đa thức. Bộ chỉ thị

153

giá trị khung hỗ trợ 2 chức năng tại máy thu. Chức năng đầu tiên là xác định tốc độ

truyền khung. Chức năng thứ hai là xác định có hay không có lỗi khung.

Các bit ở phần mã hoá cuối biểu diễn chuỗi bit cố định được thêm vào phần

cuối khung dữ liệu để khôi phục lại mã nhân chập thành trạng thái đã biết. Dữ liệu

truyền hoặc ở kênh CDMA ngược hoặc là ở kênh CDMA thuận được nhóm trong

khung 20ms.

Cấu trúc khung ở cả kênh lưu lượng thuận và kênh lưu lượng thông ngược

được mô tả như sau:

(I) Mỗi khung kênh lưu lượng ngược truyền tại:

1. Tốc độ dữ liệu 9600bit/s gồm 192bit với 172 bit thông tin, 12 khung bộ chỉ thị

giá trị và 8 bit đuôi mã hoá

2. Tốc độ dữ liệu 4800 bit/s gồm 80 bit thông tin, 8 bit CRC, 8 bit đuôi mã hoá

3. Tốc độ 2400 bit/s gồm 48 bit với 40 bit thông tin, 8 bit đuôi mã, 8 bit CRC

không được sử dụng ở khung kênh lưu thông ngược tại tốc độ này.

4. Tốc độ dữ liệu 1200 bit/s gồm 24 bit. Trong đó có 16 bit thông tin, 8 bit đuôi

mã, 8 bit CRC không được sử dụng ở khung kênh lưu thông ngược tại tốc độ

này.

5. Mỗi khung kênh truy cập gồm 96 bit (20 ms khung ở tốc độ 4800 bit/s) Trong

đó có 88 bit thông tin và 8 bit đuôi mã, 8 bit CRC không được sử dụng trong

kênh này.

(II) Mỗi khung kênh lưu lượng thuận truyền tại:

1. Tốc độ dữ liệu 9600 bit/s gồm 192 bit trong đó 172 bit thông tin, 12 bit đuôi

mã.

2. Tốc độ dữ liệu 4800 bit/s gồm 96 bit trong đó có 8 bit thông tin, là 8 bit CRC,

8 bit CRC, 8 bit đuôi mã.

3. Tốc độ dữ liệu 2400 bit/s gồm 48 bit trong đó gồm 40 bit thông tin, 8 bit đuôi

mã. 8 bit CRC không được sử dụng trong kênh lưu thông thuận ở tốc độ này.

4. Tốc độ dữ liệu 120 bit/s gồm 24 bit trong đó có 16 bit thông tin, 8 bit đuôi

mã, 8 bit CRC không được sử dụng cho kênh này tại tốc độ dữ liệu 1200 bit/s.

7.3. W – CDMA

Một số đặc tính của hệ thống W-CDMA

154

Công nghệ W-CDMA có các tính năng cơ sở sau:

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5Mhz.

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả các tốc độ trên 1 sóng mang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.

Ngoài ra công nghệ này còn được tăng cường các tính năng sau:

- Phân tập phát.

- Anten thích ứng.

- Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến.

W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hổ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. Nhược điểm của WCDMA là ở hệ thống không cấp phép trong băng TDD với phát thu liên tục, công nghệ WCDMA không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc như thoại không dây.

7.4. Hệ thống lai ghép TDMA và CDMA (hệ thống UTRA TDD)

TDMA/CDMA băng rộng

Các tính năng cơ sở của công nghệ này bao gồm:

- Phân cách tần số 1,6 Mhz.

- Cấu trúc cụm chứa đọan giữa để đánh giá kênh.

- Khái niệm CDMA được áp dụng trên nền cấu trúc TDMA để tăng tính linh hoạt.

- Giảm nhiễu giao thoa bên trong ô bằng cách sử dụng tách tín hiệu đa người sử dụng trong 1 khe trên cùng sóng mang.

- Giảm kích cở tái sử dụng xuống 3.

- Nhẩy tần.

- Triệt nhiễu giao thoa giữa các ô.

- Hỗ trợ anten thích ứng

- Hoạt động ở chế độ TDD.

- Phân bổ kênh động (DCA:Dynamic Chanel Allocation)

Nhược điểm của công nghệ này là máy thu phức tạp.

155

UTRA TDD cho phép hoạt động ở phổ một tần số

156

Tần số [MHz]

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170

TDD

Rx/Tx

FDD Tx MS TDD

Bx/Tx

FDD Rx

MS

Hình 7 - 1. Tần số dành cho UTRA TDD

Độ rộng băng tần 5MHz

Khoảng bảo vệ

Hình 7 - 2. Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD

Phương pháp TDD sử dụng chung 1 băng tần số nhưng thay đổi luân phiên

phương truyền dẫn theo thời gian.

Có 2 đặc tính riêng cho hệ thống TDD:

- Sử dụng băng tần đơn:

- Phát không liên tục: Chuyển mạch giữa các phương phát đòi hỏi thời gian và

cần phải điều khiển được quá độ khi chuyển mạch. Để tránh truyền dẫn giữa 2 phương

chồng lấn lên nhau, phát lên và phát xuống đòi hỏi 1 phương tiện để thống nhất phương

phát và thời gian được phép phát. Ngoài ra cũng cần có 1 khoảng thời gian bảo vệ. Phát

không liên tục có thể gây nhiễu cho thiết bị âm thanh nếu thiết bị này không tuân theo các

yêu cầu nhậy cảm điện từ.

- Nhiễu giữa đường lên và đường xuống : Vì đường truyền lên và đường xuống

chung tần số , tín hiệu trên 2 phương truyền có thể gây nhiễu cho nhau. Trong UTRA

TDD các BS được đồng bộ ở mức khung để tránh nhiễu này.

- Phân bổ dung lượng đường lên và xuống không đối xứng: Trong TDD đường

lên và xuống được phân chia trong miền thời gian.Có thể thay đổi điểm chuyển mạch

song công và dịch chuyển dung lượng từ đường lên sang đường xuống hay ngược lại phụ

thuộc vào yêu cầu giữa đường lên và đường xuống.

Ñöôøng xuoáng

Ñöôøng leân

Đường xuống

Đường lên

157

- Kênh tương hỗ: Pha đinh nhanh phụ thuộc tần số vì ở TDD cả đường lên và

đường xuống đều chung 1 tần số, pha đinh nhanh như nhau ở cả 2 đường. Trên cơ sở tín

hiệu thu, máy thu phát TDD có thể đánh giá pha đinh nhanh sẽ tác động lên quá trình

phát của nó. Hiểu biết về pha đinh nhanh có thể được sử dụng ở điều khiển công suất và

các kỹ thuật anten thích ứng ở TDD.

158

Documents

Giao Trinh Thong Tin Di Dong