..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
QUY HOẠCH VÀ TỐI U HểA MNG CDMA2000 1X

NGUYN TRNG GIP
LP CH-DTVT 2003

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
CHUYấN NGNH: IN T VIN THễNG

Hà Nội - 2005


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
----------------------------------------------LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
QUY HOẠCH VÀ TỐI U HểA MNG CDMA2000 1X

NGUYN TRNG GIP
LP CH-DTVT 2003

Luận Văn Th¹c SÜ Khoa Häc
CHUN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS. PHẠM MINH VIỆT

Hµ Néi - 2005


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................... 4
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 5
Chương I - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN ............ 6
1.1 Các vấn đề chính của đường truyền vơ tuyến .............................................................. 6
1.2 Suy hao đường truyền. ................................................................................................. 7
1.2.1 Mơ hình khơng gian tự do ..................................................................................... 7
1.2.2 Mơ hình Lee .......................................................................................................... 8
1.2.3 Mơ hình Hata-Okumura........................................................................................ 8
1.3 Hiệu ứng che khuất (shadowing) ................................................................................. 9
1.3.1 Fading đa đường................................................................................................. 10
1.3.2 Trễ trải phổ đa đường ......................................................................................... 11

Chương II - CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MẶT ĐẤT ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA ..................................................................................13

2.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 13
2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin trải phổ CDMA ............................................................. 13
2.2.1 Bộ mã hóa âm thoại (voice encoding) ................................................................ 14
2.2.2 Bộ mã hóa kênh................................................................................................... 15
2.2.2.1 Mã hố xoắn ................................................................................................ 16
2.2.2.2 Kĩ thuật giải mã Viterbi ............................................................................... 17
2.2.2.3 Ghép xen (Interleaving) ............................................................................... 18
2.2.3 Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập theo mã ........................................................ 19
2.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp ................................................................................. 20

2.2.3.2 Phép trải phổ trực tiếp cho hệ thống thực tế ............................................... 21
2.2.4 Bộ điều chế.......................................................................................................... 25

Chương III - CÁC BÀI TỐN KỸ THUẬT VÀ THƠNG SỐ CỦA MẠNG DI
ĐỘNG TẾ BÀO CDMA ...........................................................................................26

3.1 Tính tốn dung lượng cell .......................................................................................... 26
3.1.1 Tính tốn dung lượng trong sự ảnh hưởng của các yếu tố khác ........................ 29
3.1.2 Ảnh hưởng của việc chia cell thành các sector .................................................. 30
3.1.3 Ảnh hưởng của dộ tích cực thoại ........................................................................ 31
3.2 Tính tốn vùng phủ sóng. .......................................................................................... 32
3.2.1 Phân tích đường xuống ....................................................................................... 32
3.2.1.1 Kênh pilot ..................................................................................................... 32
3.2.1.2 Tính tốn cho kênh lưu lượng hướng xuống ................................................ 34
3.2.2 Kênh hướng lên ................................................................................................... 35
3.2.2.1 Mơ hình một cell, một MS ............................................................................ 36
3.2.2.2 Mơ hình một cell nhiều MS .......................................................................... 36
3.2.2.3 Mơ hình nhiều cell và nhiều MS .................................................................. 37
3.3 Quy hoạch mã PN. ..................................................................................................... 37
3.3.1 Thiết lập tham số PILOT_INC ............................................................................ 37
3.3.2 Tính khoảng cách tái sử dụng mã PN ................................................................. 40
3.4 Tính tốn lưu lượng ................................................................................................... 41


2

3.4.1 Mơ hình Erlang-B ............................................................................................... 42
3.4.2 Mơ hình Erlang-C ............................................................................................... 44
3.4.3 Điều khiển nghẽn trong mạng CDMA ................................................................ 45
3.5 Điều khiển công suất trong mạng CDMA ................................................................. 45

3.5.1 Điều khiển cơng suất vịng hở ............................................................................. 46
3.5.2 Mạch điều khiển vịng kín ................................................................................... 47
3.5.3 Điều khiển cơng suất cho hướng lên................................................................... 49
3.6 Chuyển giao (handover)............................................................................................. 50
3.6.1 Chuyển giao mềm................................................................................................ 51
3.6.2 Chuyển giao mềm hơn ........................................................................................ 52
3.6.3 Chuyển giao cứng ............................................................................................... 52

Chương IV - THIẾT KẾ MẠNG VÔ TUYẾN ......................................................... 56
4.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................ 56
4.2 Các bước thực hiện việc quy hoạch mạng ................................................................. 57
4.3 Các mục tiêu cần đạt được trong quy hoạch mạng .................................................... 59
4.4 Thiết kế các tiêu chí của mạng RF ............................................................................. 61
4.4.1 Dung lượng của sóng mang ................................................................................ 62
4.4.2 Vùng phủ sóng .................................................................................................... 64
4.4.3 Tiêu chuẩn tỷ lệ vùng chuyển giao mềm ............................................................. 65
4.4.4 Quy hoạch mã PN ............................................................................................... 67
4.4.5 Xác định kích thước cửa sổ tìm kiếm .................................................................. 70
4.5 Thiết kế chi tiết dựa trên phân tích mơi trường thực tế ............................................. 72
4.6 Thiết lập các tham số hệ thống .................................................................................. 73

Chương V - TỐI ƯU HỐ MẠNG VƠ TUYẾN..................................................... 75
5.1 Giới thiệu chung về tối ưu hố mạng RF ................................................................... 75
5.2 Quy trình tối ưu hố mạng vơ tuyến .......................................................................... 76
5.2.1 Các mục tiêu cần đạt được của việc tối ưu hoá mạng ........................................ 76
5.2.2 Phương pháp tiến hành tối ưu hoá ..................................................................... 77
5.2.3 Các giai đoạn tiến hành tối ưu hoá .................................................................... 77
5.2.4 Sơ đồ quy trình thực hiện tối ưu hố .................................................................. 78
5.2.5 Các tham số thống kê đánh giá chất lượng mạng .............................................. 80
5.2.6 Các biện pháp khắc phục lỗi và nâng cao các chỉ tiêu chất lượng .................... 81

5.3 Phân tích một số tham số trước và sau khi thực hiện tối ưu hoá ............................... 82
5.3.1 Thống kê chất lượng hệ thống trước khi thực hiện tối ưu hoá ........................... 82
5.3.2 Một số thông số được thay đổi ............................................................................ 83
5.3.3 Ảnh hưởng của việc thay đổi tham số hệ thống đến chất lượng dịch vụ ............ 89

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 92


3

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Giao diện vơ tuyến giữa BTS và MS ...................................................................... 6
Hình 1.2 Trễ trải phổ đa đường............................................................................................ 12
Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống thơng tin di động CDMA ....................................... 13
Hình 2.2 Ghép xen khối (block interleaving) ...................................................................... 19
Hình 2.3 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh ........................................................................ 21
Hình 2.4 Hệ thống trải phổ dùng 3 loại mã trải phổ ............................................................ 22
Hình 3.1 Ảnh hưởng của các MS lên S/N của nhau ............................................................ 28
Hình 3.2 Ảnh hưởng của các MS và cell khác..................................................................... 29
Hình 3.3 Nhiễu do các MS thuộc các sector gây ra ............................................................. 30
Hình 3.4 MS khơng phân biệt được PN của trạm nào ......................................................... 38
Hình 3.5 Trễ PN trong miền thời gian ................................................................................. 39
Hình 3.6 Minh hoạ trễ PN cho việc tính khoảng cách an tồn ............................................ 40
Hình 3.7 Thống kê số cuộc gọi trong ngày .......................................................................... 42
Hình 3.8 Quan hệ giữa tải, số lượng kênh theo Erlang B .................................................... 43
Hình 3.9 Quan hệ giữa tải, số lượng kênh theo Erlang C .................................................... 44
Hình 3.10 Ghép bit điều khiển cơng suất vào kênh lưu lượng ............................................ 47
Hinh 3.11 Minh họa các bít điều khiển công suất ............................................................... 48
Hinh 3.12 Sơ đồ thuật tốn điều khiển cơng suất ................................................................ 49

Hinh 3.13 Các mức ngưỡng trong chuyển giao ................................................................... 50
Hình 3.14 Chuyển giao mềm giữa hai BTS ......................................................................... 51
Hình 3.15 Chuyển giao mềm hơn giữa hai sector thuộc cùng BTS..................................... 52
Hình 3.16 Quá trình chuyển giao từ BTS-A sang BTS-B ................................................... 54
Hình 4.1 Các bước thiết kế mạng ........................................................................................ 57
Hình 4.2 Quan hệ giữa MOS và FER .................................................................................. 60
Bảng 4.1 Các đối tượng mục tiêu cho thiết kế RF ............................................................... 60
Hình 4.3 Quan hệ giữa QoS và dung lượng ......................................................................... 61
Bảng 4.2 Các loại dịch vụ và số người dùng tối đa ............................................................. 63
Bảng 4.3 Dung lượng tối đa của sóng mang ........................................................................ 63
Bảng 4.4 Bán kính tối đa của cell trong các mơi trường khác nhau .................................... 64
Hình 4.4 Sự thay đổi cơng suất phát của MS theo tham số T_ADD ................................... 65
Hình 4.5 Quan hệ giữa vùng chuyển giao mềm và tham số T_ADD .................................. 66
Hình 4.7 Các nhóm mã PN trong một mạng........................................................................ 68
Hình 4.8 Mẫu tái sử dụng mã PN ........................................................................................ 69
Hình 4.9 Quan hệ giữa kích thước cửa sổ srch_win_n và vùng chuyển giao ...................... 72
Hình 4.10 Sự sai khác giữa kết quả tính tốn và kết quả đo đạc ......................................... 73
Hình 5.1 Các giai đoạn của quá trình tối ưu hố ................................................................. 77
Hình 5.2 Quy trình tối ưu hố mạng vơ tuyến ..................................................................... 79
Bảng 5.1 Một số chỉ tiêu chất lượng mạng .......................................................................... 80
Bảng 5.2 Số liệu thống kê trước khi tối ưu hoá ................................................................... 83
Bảng 5.3 Một số tham số hệ thống được thay đổi ............................................................... 84
Bảng 5.4 Số liệu thống kê sau khi tối ưu hoá ...................................................................... 90


4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FA
QOS

CDMA
MS
TDMA
FDMA
AMPS
GSM
DCS
SS
BSS
OMC
MS
MSC
HLR
VLR
AUC
EIR
BSC
BTS
PLMN
PSTN
PN
RAN

Frequency Assignment
Quanlity of Service
Code Division Multiple Access
Mobile Station
Time Division Multiple Access
Frequency Division Multiple Access
Advanced Mobile Phone System

Global System for Mobile Communication
Digital Communication System
Switching Subsystem
Base Station Subsystem
Operation and Maintenance Center
Mobile Station
Mobile Service Switching Center
Home Location Register
Visitor Location Register
Authentication Center
Equipment Indentification Register
Base Station Controller
Base Transceiver Station
Public Land Mobile Network
Public Switched Telephone Network.
Pseudo Random Noise
Radio Access Network


5

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA đã được nghiên cứu từ nhiều
năm nay ở Việt Nam và cũng đã có những ứng dụng trong thực tế, mở đầu
bằng việc đưa vào khai thác mạng CDMA2000 1x của công ty S-Telecom vào
tháng 7 năm 2003. Hiện tại các nhà khai thác mạng di động mới như EVN
Telecom, Hanoi Telecom lần lượt chuẩn bị ra đời và đều sử dụng công nghệ
CDMA2000 1x. Như vậy việc nghiên cứu kỹ về công nghệ này là rất quan
trọng đặc biệt là những kỹ thuật có thể dùng để xây dựng một mạng di động
mới sử dụng công nghệ CDMA.

Trong luận văn này tác giả khơng trình bày sâu về cơng nghệ mà muốn trình
bày các kỹ thuật có liên quan đến quy trình lập kế hoạch cho sự ra đời của
một mạng mới. Vì thế luận văn sẽ trình bày một số nội dung chính như sau:
- Chương I: trình bày về một số vấn đề cơ bản của việc truyền sóng vơ
tuyến, các mơ hình tính tốn suy hao, fading,…
- Chương II: trình bày một các tổng quan về cấu trúc truyền thông trong
công nghệ CDMA
- Chương III: trình bày các bài tốn kỹ thuật có liên quan đến việc quy
hoạch và tối ưu mạng như tính tốn dung lượng, vùng phủ sóng, các kỹ
thuật điều khiển cơng suất, chuyển giao mềm,…
- Chương IV: trình bày về quy trình thiết kế cho mạng vơ tuyến
- Chương V: trình bày một số vấn đề về tối ưu hố mạng
Tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo hướng dẫn TS. Phạm Minh Việt đã
hướng dẫn tận tình trong suốt q trình làm luận văn. Tơi cũng xin chân thành
cảm ơn các đồng nghiệp ở công ty S-Telecom đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi
trong q trình hồn thành luận văn này.


6

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN

1.1 Các vấn đề chính của đường truyền vơ tuyến
Trong bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào ta cũng quan tâm đến một tham
số quan trọng, đó là tỷ số C/N (Carrier-to-Noise) ở phía thu. Trong một hệ
thống vơ tuyến C/N được tính như sau:
C ( ERP)Gr
=
N

N × Lp

(1.1)

Trong đó ERP là cơng suất phát đo ở anten máy phát, Lp là suy hao qua không
gian tự do, Gr là hệ số khuyếch đại ở anten thu và N là cơng suất do tạp âm
nhiệt gây ra.

Hình 1.1 Giao diện vô tuyến giữa BTS và MS


7

Đối với các mơi trường có nhiễu, tỷ số trên khơng nói nên hết được chất
lượng của kênh truyền mà người ta dùng một tỷ số khác trong đó có tính đến
ảnh hưởng nhiễu của các nguồn phát lên kênh truyền ngồi tạp âm nhiệt, đó là
C/I trong đó thành phần I là tổng hợp của tạp âm nhiệt và nhiễu do các kênh
thông tin khác gây ra. Mỗi hệ thống thơng tin vơ tuyến có những đặc điểm
chung và những nét riêng biệt, dưới đây là những tính chất của hệ thống
truyền sóng vơ tuyến trong mạng di động mặt đất.
1.2 Suy hao đường truyền.
Suy hao qua môi trường truyền sóng Lp bao gồm tất cả các ảnh hưởng lên tín
hiệu mà nó gặp phải trên đường từ máy phát đến máy thu. Có nhiều mơ hình
được sử dụng để tính suy hao đường truyền, nhưng khoảng cách từ máy thu
đến nguồn phát sóng vẫn là một yếu tố chủ yếu cần được xem xét, các ảnh
hưởng khác có thể đến từ những yếu tố khác như môi trường truyền sóng, thời
tiết, khí hậu.... Dưới đây ta sẽ khảo sát ba mơ hình điển hình hay được sử
dụng trong các hệ thống vơ tuyến, đó là mơ hình khơng gian tự do, mơ hình
Lee, và mơ hình Hata-Okumura.
1.2.1 Mơ hình khơng gian tự do

Trong khơng gian tự do, sóng điện từ suy giảm theo khoảng cách theo công
thức sau:

Lp =

(4πd ) 2

λ2

(1.2)

Trong đó λ là bước sóng của tín hiệu, d là khoảnh cách từ máy thu đến máy
phát. Cơng thức trên cịn được viết dưới dạng decibel như sau:
Lp = 32.4 + 20 log(f) + 20 log(d)
d: khoảng cách tính bằng kilomet

(1.3)


8

f: tần số sóng mang (MHz)
Lp: Suy hao tính bằng dB
Mơ hình khơng gian tự do thường được áp dụng được áp dụng trong thông tin
vệ tinh và hàng hải.
1.2.2 Mơ hình Lee
Mơi trường truyền sóng trong mạng di động mặt đất khác xa so với khơng
gian tự do vì trên mặt đất có những vật cản, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là
tổng hợp của tín hiệu đến theo đường thẳng và các tín hiệu phản xạ từ các vật
cản. Vì những lý do trên, suy hao đường truyền trên mạng di động mặt đất lớn

hơn rất nhiều so với không gian tự do, dưới đây là cơng thức đã được đơn
giản hóa của mơ hình Lee trong vùng tần số hoạt động của mạng di động:
L p = 1.14 × 10

−13

h2
d 3.84

(1.4)

Với d khoảng cách giữa trạm BTS và máy cầm tay, h là chiều cao (km) của
anten trạm BTS. Vì số mũ của d lớn hơn nên suy hao theo khoảng cách giữa
BTS và MS sẽ tăng nhanh hơn, cũng trong công thức này độ cao của anten
tăng lên sẽ làm cho suy hao giảm đi rất nhiều. Cơng thức trên có thể viết dưới
dạng decibel như sau:

L p = 129.45 + 38 log(d ) − 20 log(h)

(1.5)

với d tính bằng (km) và h (m).
1.2.3 Mơ hình Hata-Okumura
Một mơ hình sát với thực tế là một mơ hình bao gồm đầy đủ các tham số cần
thiết khác nhau để mô tả các điều kiện truyền sóng đa dạng trong thực tế. Ở
đây ta sẽ trình bày mơ hình Hata để minh họa mơ hình suy hao phức tạp hơn,
trong đó suy hao đường truyền sẽ là hàm số của các tham số như tần số sóng


9


mang, độ rộng băng tần, độ cao của anten thu phát và mật độ của các cơng
trình xây dựng. Ở dạng decibel mơ hình tổng thể của Hata được cho như sau:

L p = K1 + K 2 log( f ) − 13.82 log(hb ) − a (hm )

+ [44.9 − 6.55 log(hb )]log(d ) + K 0

(1.6)

Với f là tần số sóng mang (MHz), hb là độ cao của anten BTS (m), hm là độ
cao của anten máy thu (m), và d là khoảng cách từ trạm BTS đến MS (km).
Trong cơng thức trên, hb có giá trị từ 30m đến 200m, hm có giá trị từ 1m đến
10m, d có giá trị từ 1km đến 20km.
Thành phần a(hm) và K0 được dùng cho các môi trường đô thị hoặc vùng đơ
thị có mật độ dân số cao.
Ở vùng đô thị:

a (hm ) = [1.1log(f) - 0,7]hm − [1.56 log( f ) − 0.8]

(1.7)

K0=0 dB
Ở vùng đơ thị có mật độ dân số cao:
a (hm ) = 3.2[log(11.75hm )] − 4.97
2

(1.8)

K0 =3 dB

Các thành phần K1 và K2 đặc trưng cho vùng tần số sóng mang:
K1 = 69.55 khi 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz
K1 = 46.3 khi 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz
K2 = 26.16 khi 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz
K2 = 33.9 khi 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz
1.3 Hiệu ứng che khuất (shadowing)
Cơng suất tín hiệu thu trên đường truyền trực tiếp giảm một cách chậm chạp
khi máy thu di chuyển xa dần trạm BTS. Trong quá trình di chuyển các vật
cản (như cây cối, nhà cửa, xe cộ…) sẽ cắt ngang đường truyền sóng và gây ra
tình trạng rớt công suất ở máy thu. Sự suy giảm này xảy ra ở nhiều bước sóng


10

trên dải sóng mang và vì vậy được gọi là fading chậm. Fading chậm thường
được mơ hình bằng phân bố “logarit thường” với cơng suất trung bình và độ
lệch chuẩn (tức là phân bố xác suất của sự thay đổi công suất được phân bố
theo 10ξ/10, với ξ là một biến ngẫu nhiên với giá trị trung bình m và độ lệch
chuẩn σ). Độ lệch chuẩn trong môi trường mạng di động mặt đất thường
khoảng 8dB.
1.3.1 Fading đa đường.
Khi MS di chuyển ra khỏi tầm nhìn của BTS (tức là khơng cịn đường nào cho
tín hiệu RF truyền thẳng qua LOS), tín hiệu thu được trên MS được tạo thành
từ các tia sóng phản xạ từ các vật xung quanh, trong các tín hiệu thu được nhờ
phản xạ đó khơng có tín hiệu nào có cơng suất vượt trội. Các tia phản xạ khác
nhau đến MS trong các khoảng thời gian khác nhau, khác nhau về biên độ,
khác nhau về pha.
Người ta đã chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm rằng đường bao của
tín hiệu sóng mang nhận được ở MS được phân bố theo Rayleigh, vì thế
fading này được gọi là fading Rayleigh. Gọi N là số đường tín hiệu đến MS

thì tín hiệu thu được ở MS sẽ được tính bằng cơng thức:
N

r (t ) = ∑ Rn cos (2πft − 2πf D ,n t )
n =1

(1.9)

Trong đó Rn và f là tần số và biên độ của tín hiệu trên mỗi đường, fD,n là dịch
chuyển tần số của các tín hiệu phản xạ do tác động của hiệu ứng Doppler khi
MS di chuyển. Nếu các tín hiệu tới MS trên các đường truyền song song với
phương di chuyển của MS thì dịch chuyển tần số Doppler được tính bằng:

f D ,n =

v

λ

(1.10)


11

Với v là tốc độ di chuyển của MS.
Ta phân tích tín hiệu thu thành hai thành phần đồng pha và dịch pha 900 như
sau:

r (t ) = R I (t ) cos(2πft ) + RQ (t ) sin( 2πft )


(1.11)

Thành phần đồng pha được tính bằng:
N

R I (t ) = ∑ Rn cos 2πf D ,n t
n =1

(1.12)

Thành phần chéo pha:
N

RQ (t ) = ∑ Rn sin 2πf D ,n t
n =1

(1.13)

1.3.2 Trễ trải phổ đa đường
Hiện tượng đa đường xảy ra khi các tín hiệu đến MS trực tiếp và gián tiếp qua
phản xạ, số lượng tia phản xạ phụ thuộc vào các chỉ số như góc tới của sóng
điện từ, tần số sóng mang, phân cực của sóng điện từ. Vì độ dài đường đi giữa
các tia là khác nhau nên tín hiệu đến máy thu trong các thời điểm khác nhau.
Hình (1.2) dưới đây minh họa điều đó, một xung được truyền đến vào thời
điểm t = 0, giả sử có nhiều tia khác cũng đến MS nhưng vào các thời điểm
khác thì ta sẽ nhận được một chuỗi xung.
Nếu độ lệch thời gian Δt lớn tương đương độ rộng xung thì sẽ xảy ra hiện
tượng nhiễu liên xung (ISI), nói cách khác một xung đến chậm hơn hoặc
nhanh hơn đáng kể sẽ gây ra biến dạng xung trước hoặc sau nó.



12

Hình 1.2 Trễ trải phổ đa đường
Xét một ví dụ như sau: giả sử ta có dịng dữ liệu với tốc độ R=1,2288Mbps
(tốc độ chíp của Is-95) thì thời gian tồn tại của một xung sẽ là:

Tb =

1
1
=
= 0.81µ sec 1à sec
Rb 1.2288 ì 10 6 bps

Trong trng hp này, các trễ xung lớn hơn 1μsec sẽ gây ra hiện tượng nhiễu
liên xung (ISI). Trong kỹ thuật CDMA, người ta dùng kỹ thuật Rake Receiver
để khắc phục hiện tượng này.


13

CHƯƠNG II
CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MẶT ĐẤT
ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ CDMA
2.1 Giới thiệu
Cơng nghệ CDMA là một cơng nghệ khơng cịn gì là mới mẻ mà đã được
nghiên cứu rất nhiều và đã được triển khai ở Việt Nam với hệ thống
CDMA2000 1x của công ty S-Telecom. Vì vậy ở đây tơi cũng khơng có ý
định đi sâu nghiên cứu công nghệ này mà chỉ xem xét một cách tổng quát

nhất các đặc điểm của hệ thống để phục vụ cho mục đích chính của luận văn
là giải quyết vấn đề quy hoạch và tối ưu hoá mạng di động CDMA. Chương
này sẽ đề cập đến cấu trúc hệ thống và những kỹ thuật được dùng trong một
mạng di động CDMA.
2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin trải phổ CDMA
Hình vẽ 2.1 dưới đây minh họa một hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật trải
phổ và đa truy nhập theo mã (CDMA).
Wave Form

Bit Stream

☎

Voice
Encoding

Channel
Encoding

Interleaving

Spread
Spectrum

Digital
Modulation

Multiple
Access


Transmitter
Output

< Forward Link Block Diagram >

Wave Form

Bit Stream

☎

Voice
Decoding

Channel
Decoding

DeInterleaving

De-Spread
Spectrum

Digital
Demodulation

Multiple
Access

Receiver
Input


< Reverse Link Block Diagram >

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống thơng tin di động CDMA


14

2.2.1 Bộ mã hóa âm thoại (voice encoding)
Người ta sử dụng chuyển đổi các tín hiệu thoại thơng thường thành dạng số
sau đó tiếp tục gia cơng tín hiệu như sử dụng các lược đồ xử lý lỗi hay chống
lỗi, mật mã tín hiệu để tăng độ bảo mật thơng tin. Nhìn chung các thao tác này
được sử dụng với mạch tích hợp cho tín hiệu số rẻ hơn rất nhiều so với các
mạch cùng loại cho tín hiệu tương tự. Nguyên tắc chuyển đổi sang số rất
thông thường trong các mạch VOCODER cùng với các chức năng chính:
- Băng tần thoại đầu vào được hạn chế 4Khz.
- Số hoá theo luật µ để có thể lên tới 64Khz điều này có nghĩa là khi
chuyển sang số băng thơng cho thoại sẽ tăng lên rất nhiều vì vậy
nhất thiết cần có các kĩ thuật nén đặc thù như là QCELP (Qualcomm
Code Excited Linear Prediction) và EVRC (Enhanced Variable Rate
Code) được xử dụng tất rộng rãi cho ra tốc độ 8 Kbp/s hay 13kbp/s.
Tuy nhiên khi tốc độ bit càng tăng thì tốc độ truyền dẫn càng lớn
việc này sẽ kéo theo năng lượng cần để phát trên đường vô tuyến
càng cao dẫn đến dung lượng của hệ thống nhìn chung sẽ giảm đi
chính vì lẽ đó người ta thường dùng các bộ Vocoder 8 kbit/s hơn là
Vocoder 13 kbit/s.
- Hệ số nén điều khiển được, giảm và thay đổi tốc độ bit.
- Tốc độ bit thông tin được thay đổi linh hoạt theo chất lượng của hệ
thống. (8,6 Kbit/s – 4kbit/s – 2kbit/s- 0.8 kbit/s Với 8K QCELP,
EVRC hay 13.35kbit/s – 6.25 kbit/s – 2.75kbit/s – 1.05 kbit/s với

13 K QCELP).
• Tốc độ đỉnh khi đang đàm thoại.
• Các tốc độ thấp hơn khi đang tạm ngừng cuộc đàm thoại.
- Nó có thể ghép ln đồng thời thoại, báo hiệu, và dữ liệu của người
sử dụng trong các khung CDMA.


15

Tín hiệu thoại CDMA được xử lý theo từng đơn vị thời gian 20ms trùng với
thời gian của khung thu phát ở phần vô tuyến theo tiêu chuẩn CDMA IS– 95
hay IS – 2000. Đối với IS – 95 chiều dài khung lên tới 80ms khi phát ở tốc độ
cao và 5ms khi chỉ phát các thông tin điều khiển ngắn.
Tuy nhiên nhược điểm của loại Vocoder 8kbit/s là khá kém khi cần khơi phục
lại các tín hiệu âm thanh nguyên thuỷ có âm lượng quá bé so với loại 13kbit/s.
2.2.2 Bộ mã hóa kênh
Nhiệm vụ của nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn số là cung cấp một hệ thống
kinh tế để truyền thông từ nơi phát dến nơi nhận ở mức độ tin cậy mà người
sử dụng chấp nhận. Hai thông số quan trọng mà nhà thiết kế có trong tay là:
thơng số tín hiệu được phát và độ rộng băng thông của kênh truyền dẫn. Hai
thông số này cùng với mật độ phổ công suất của tạp âm thu xác định tỉ số
giữa năng lượng một tín hiệu và mật độ công suất tạp âm Eb/No. tỉ số này xác
định giá trị lỗi bit BER đối với một sơ đồ điều chế cho trước. Các thiết kế
thực tế thường đặt ra một giới hạn giá trị mà chúng ta có thể phân bố cho
Eb/No. Trong thực tế tuỳ theo hoàn cảnh mà chúng ta thường phải sử dụng
một sơ đồ điều chế mà với sơ đồ này không thể đảm bảo chất lượng số liệu.
Đối với tỉ số Eb/No cố định cách tốt nhất thì cách tốt nhất để đạt được chất
lượng số liệu qui định là sử dụng mã hoá kênh. Một động cơ thực tiễn khác
dẫn đến việc sử dụng mã hoá kênh là là để giảm tỉ số Eb/No yêu cầu đối với tỉ
số lỗi bít BER cố định. Độ giảm tỉ số Eb/No yêu cầu đối với tỉ số lỗi bit BER

cố định được gọi là độ tăng ích mã hố. Nhờ việc giảm này mà chúng ta có
thể giảm cơng xuất phát hay giảm giá thành phần cứng chẳng hạn dùng ang
ten kích thước nhỏ hơn. Kiểm sốt lỗi để đảm bảo sự tồn vẹn của số liệu có
thể được thực hiện bằng hiệu chỉnh lỗi trước FEC. Cùng với sự phát triển của
công nghệ viễn thông, hệ thống CDMA đã sử dụng kết hợp kĩ thuật TCM


16

giữa mã hoá kênh với kĩ thuật điều chế để bù lại những nhược điểm cố hữu
vốn có.
Trong CDMA các bit thông tin được bảo vệ chống lại các nhiễu tác động trên
đường truyền đến các thiết bị thu nhờ áp dụng kĩ thuật mã hoá kênh cho phép
chuyển đổi chúng thành một dạng biểu hiện đặc thù khác (mang đặc điểm
chống nhiễu và khắc phục lỗi) trước khi truyền dẫn. Loại mã hoá này được
phân loại thành hai loại là mã hoá khối và mã hoá xoắn. Mã hoá khối là
phương pháp thực hiện phép ánh xạ từ khối thông tin đầu vào thành các khối
thông tin khác. Trong khi đó mã hố xoắn thực hiện mã hố trực tiếp tín hiệu
đầu vào. Với loại mã hố xoắn thì địi hởi một cấu trúc rất phức tạp ở phía thu
tuy nhiên nó lại đảm bảo chất lượng tốt và được sử dụng rộng rãi. Hiện nay có
rất nhiều kĩ thuật mã hoá kênh như thế này. Tuy nhiên, kĩ thuât thường được
ưa chuộng trong mạng này là sử dụng bộ mã hố chập. Bên cạnh đó người ta
cũng sử dụng kĩ thuật mã hố TURBO (mã này rất có hiệu quả khi thao tác
với các khung số liệu tốc độ cao). Chúng được sử dụng cho thoại và số liệu
trong kĩ thuật truyền thông di động CDMA. Tuy nhiên người ta cũng sử dụng
thêm một loại mã sủa lỗi nữa ngồi việc sử dụng mã hố kênh để giám sát
chất lượng của đường truyền trong mỗi khoảng 20ms ở giao diện vơ tuyến.
2.2.2.1 Mã hố xoắn
Mã xoắn đầu tiên được sử dụng cho kĩ thuật vệ tinh. Trong khi mã khối được
xác định bởi hai số nguyên lần n và k, số nguyên k được xác định bởi số bit

của khối bản tin ở đầu vào của bộ lập mã, số nguyên n là tổng số bit của từ mã
ở ở đầu ra của bộ lập mã. Tỉ số r = k/n được gọi là tỉ lệ mã là số đo để đánh
giá lượng dư được bổ xung. Mã xoắn lại được xác định bởi ba số nguyên n,k
và K. Số nguyên K được gọi là độ dài hạn chế, nó thể hiện số lần dịch của
một nhóm k bit bản tin mà trong đó nhóm k bit này vẫn còn gây ảnh hưởng


17

đến đầu ra của bộ lặp mã. Một đặc tính quan trọng của các mã xoắn so với mã
khối là bộ lặp mã của chúng có các bộ nhớ, nên quá trình tạo ra n phần tử đầu
ra của các bộ lặp mã không chỉ phụ thuộc vào k bit đầu vào, mà còn phụ
thuộc vào (K – 1) tập hợp k bít đầu vào trước đó. Bộ lặp mã được hình thành
từ những thanh ghi dịch và bộ cộng. Thông thường các bộ lặp mã xoắn hay
được sử dụng với k = 1, tỉ lệ mã là 1/n và số K bằng số tầng trong thanh ghi
dịch của bộ lặp mã xoắn.
Mã hoá xoắn với hệ số R = ½ hay ¼ được sử dụng cho kênh hướng
xuống. Trong khi đó R = ½ được sử dụng cho các kênh có tốc độ thấp. Tuy
nhiên, để bù lại cho những hạn chế của kênh hướng lên trên giao diện vô
tuyến người ta chủ yếu sử dụng hệ số R = 1/3 hay ¼.
2.2.2.2 Kĩ thuật giải mã Viterbi
Cơ sở lý thuyết của việc giải mã như sau - Nếu tất cả các chuỗi vào đều có
xác xuất như nhau thì bộ giải mã đạt được xác xuất lỗi thấp nhất sẽ là bộ giải
mã thực hiện việc so sánh các xác xuất có điều kiện được gọi là các hàm có
khả năng giống nhau nhất P(v/u), v là chuỗi thu cịn u là một trog số chuỗi
phát có thể có và chọn giá trị cực đại.
P(v/u) = max { P(v/u) } đối với tất cả các u
Khái niệm về khả năng giống nhau nhất được phất biểu ở phương trình
trên là cơ sở của lý thuyết được áp dụng cho việc giải mã xoắn. Viterbi sử
dụng phép xấp xỉ ngẫu nhiên về mặt năng lượng chính vì vậy bộc lộ rất nhiêu

ưu điểm. Độ phức tạp của bộ giải mã không tăng khi số bit trong chuỗi từ mã
tăng, thuật tốn bao hàm việc tính tốn số đo giống nhau hay hay khoảng cách
giữa tín hiệu thu được tại thời điểm t1 và các đường dẫn của lưới đi đến mỗi
trạng thái tại thời điểm này. Thuật toán giải mã cho phép loại bỏ việc xem xét
các đường dẫn khơng có khả năng hỗ trợ cho việc lựa chọn. Khi hai đường


18

dẫn đi vào cùng một trạng thái, thì đường dẫn nào có số đo tốt nhất sẽ được
lựa chọn, đường dẫn này được gọi là đường sống sót. Việc quyết định các
đường dẫn sống sót được thực hiện ở tất cả mọi trạng thái. Bộ giải mã tiếp tục
như vậy để tiến sâu vào lưới cùng với việc loại bỏ các đường dẫn ít giống
nhất. Như vậy mục đích của việc chọn ra đường dẫn tối ưu là chọn lựa từ mã
có số đo khả năng giống nhau cực đại hay nói cách khác là chọn ra một từ mã
có số đo tốt nhất. Thử tục giải mã thường được gọi là thuật tốn vì trước đây
nó thường được thực hiện ở phần mềm trên máy tính hay ở bộ vi xử lý,
Nhưng hiện nay để tăng tốc độ xử lý nó được thực hiện ở các vi mạch cỡ lớn.
Trong phần trình bày về vấn đề mã hố và giải mã kênh tơi khơng trình bày
chi tiết hơn nữa vì thiết nghĩ các giáo trình của thầy giáo vốn đã rất đầy đủ, tơi
chỉ xin trình bày các khái niệm cơ bản và đã được áp dụng và triển khai vào
hệ CDMA thực tế như thế nào.
CDMA2000 tận dụng triệt để điểm mạnh của hai phướng pháp trên bởi sử
dụng kết hợp.
- Kiểm sốt cơng suất kênh thoại để đạt tiêu chí 1 – 2% FER (nhờ sử
dụng các bộ mã hố chập) .
Kiểm sốt cơng suất kênh dữ liệu để đạt tiêu chí 5% FER nhờ sử dụng mã
Turbo, và phát lại các gói bù cho các gói đã mất. Người ta cũng sử dụng mã
hoá Turbo cho luồng dữ liệu tốc độ cao trong SCH của CDMA2000. Xét trên
quan điểm thiết kế và hoạt động thì mã hoá này rất phức tạp.

2.2.2.3 Ghép xen (Interleaving)
Một trong những đặc điểm của giao diện vô tuyến là thường xuất hiện xuất
hiện các lỗi trùm (các lỗi này làm mất đi một đoạn các dịng bit và vì vậy cho
dù có sử dụng các phương pháp chống và khắc phục lỗi tân tiến và hiệu quả
như thế nào chăng nữa thì cũng rất khó đảm bảo chất lượng) nhiều hơn rất


19

nhiều so với môi trường truyền dẫn hữu tuyến. Để hạn chế các lỗi trùm này
người ta không để các dòng dữ liệu đi theo đúng trật tự nguyên thuỷ của nó
mà sẽ thay đổi trật tự các dịng bít này theo một trật tự khác đặc thù. Tốc độ
dữ liệu cố định là 19.2 kbit/s sẽ được đưa vào bộ ghép xen khối này.
Mục đích của ghép xen khối là hạn chế các ảnh hưởng của lỗi trùm chỉ như là
các ảnh hưởng của các lỗi ngẫu nhiên. Nguyên tắc chuyển đổi được thực hiện
theo bảng mã dưới đây.
Block Interleaver Input Data : 1, 2, 3, 4, . . . . . . 59, 60

Data Input

Data
Out
put

1
13
25
37
49


2
14
26
38
50

3
15
27
39
51

4
16
28
40
52

5
17
29
41
53

6
18
30
42
54


7
19
31
43
55

8
20
32
44
56

9
21
33
45
57

10
22
34
46
58

11
23
35
47
59


12
24
36
48
60

Block Interleaver Output Data: 1, 13, 25, 37, . . . . . . 48, 60
Hình 2.2 Ghép xen khối (block interleaving)
2.2.3 Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập theo mã
Như trên hình vẽ minh hoạ so sánh cơng nghệ mã hố truyền thống với công
nghệ CDMA. Các công nghệ truyền thống cố gắng co hẹp băng thơng của tín
hiệu để tiết kiệm tài nguyên của mạng, nâng cao hiệu xuất sử dụng băng
thông. Tuy nhiên như đã được đề cập rất nhiều trong các tài liệu kĩ thuật nhờ
sử dụng kĩ thuật trải phổ cho phép tăng số lượng thuê bao, và chất lượng của
hệ thống với băng tần được trải rộng ra nhờ nhân tín hiệu cần được phát với


20

một chuỗi dữ liệu có tốc độ cao chiếm một bắng thông lớn hơn rất nhiều băng
thông cần thiết để tải tín hiệu mong muốn, nhờ vậy mỗi bít thơng tin sẽ được
tải đi bởi nhiều CHIP và băng thông của tín hiệu sẽ phụ thuộc vào băng thơng
của chuỗi CHIP, điều này đồng nhất với việc thông tin của người xử dụngsẽ
được trải rộng trên trục tần số và do đó mật độ phổ năng lượng được dàn đều
trong một dải rộng tần số, đó cung chính là lí do mà tăng khẳ năng chống
nhiễu của hệ CDMA. Ở phía thu bởi sử dụng một trật tự đồng nhất duy nhất
ứng với từng người sử dụng để thu nhận lại được thông tin bởi sử dụng các
mã WALSH, PN code. Như ta đã biết có rất nhiều kiểu trải phổ được đề xuất
và được ứng dụng trên thị trường. Tuy nhiên CDMA sử dụng phương pháp
trải phổ trực tiếp việc lựa chọn này bởi tính chất của hệ đa truy nhập, phương

pháp trải phổ nhảy tần và thời gian chỉ là phương pháp chống xung đột mà
thôi.
2.2.3.1 Phép trải phổ trực tiếp
Trong rất nhiều các tài liệu và giáo trình viến thơng đã trình bày rất kĩ về
phương pháp trải phổ trực tiếp. Vì lí do đó, trong phần này chỉ xin trình bày
đơi nét cơ bản. Bên phát sẽ kết hợp trực tiếp thông tin với chuỗi CHIP có trật
tự nhất định với tốc độ CHIP cao hơn nhiều so với tốc độ bit thông tin. Các
chuỗi như thế này có thể là WALSH, mã PN ngắn và dài. Điểm khác biệt giữa
các thành phần trong cùng một loại mã với nhau đó là về pha của chúng hay
độ dịch một cách tuần hoàn của các trật tự CHIP này ta sẽ thu được các chuỗi
PN có độ dịch khác nhau về trật tự CHIP. Tuy nhiên việc sai khác giữa các
trật tự này phu thuộc lớn cả vào về yếu tố thời gian (yếu tố này đươc xác định
khoảng cách tương đối giữa trạm gốc và thiết bị di động) chính vì vậy cần có
qui hoạch và tính tốn rất cụ thể để xác định số CHIP dịch sai khác giữa các


21

thành phần trong cùng một mã. (Đây là vấn đề liên quan tới qui hoạch CELL
và vùng phủ sóng trong mạng CDMA).
Phía thu sẽ chập chuỗi thơng tin này với một chuỗi giống hệt như vậy để thu
được các bít thơng tin. Hình 2.3 dưới đây minh hoạ.

0110100110010110011

User
1001

User


Cel

Mobil

1001100110011001100
1

1001100110011001100
1

User Input

1

0

0

1

1001

1

Spreading
Sequence

1001 1001 1001 1001 1001

Tx Data


0110 1001 1001 0110 0110

Hình 2.3 Trải phổ trực tiếp dùng mã Walsh

2.2.3.2 Phép trải phổ trực tiếp cho hệ thống thực tế
Hệ thống mạng di động CDMA2000 được triển khai bởi công ty SFONE sẽ
sử dụng 3 trật tự trải phổ khác nhau để tạo ra các kênh hướng lên và hướng
xuống độc lập và linh hoạt (Walsh code, mã PN ngắn, và mã PN dài). Hình
2.4 dưới minh hoạ phép trải phổ này.
Mã Walsh


22

Đặc điểm của mã này là gồm 64 mã trực giao với nhau (Tương quan giữa các
mã bằng 0), mỗi mã gồm có 64 bít, một đặc điểm thuận lợi nữa của mã này là
dễ dàng tạo ra và đòi hỏi ít bộ nhớ trong RAM.

Hình 2.4 Hệ thống trải phổ dùng 3 loại mã trải phổ
Nguyên tắc để hai mã trực giao nhau:
- Hai chuỗi số gọi là trực giao nhau khi và chỉ khi kết quả của phép
OR giữa chúng tạo ra một dãy số mới có số các số 0 bằng số các số
1 (như được minh hoạ trong hình vẽ dưới đây).
- Việc tạo các mã trực giao, hay tạo ra ma trận trực giao của các mã
với từ các đơn vị cơ bản lần lượt trong hình.
- Khác với mã PN, mã WALSH được tạo ra bởi ma trận trực giao chứ
không phải được tạo ra bởi mạch tổ hợp phần cứng. Vì vậy, Mã này
rất linh hoạt về kích thước (hồn tồn có thể tăng hay giảm kích
thước, chiều dài mã mà khơng hề ảnh hưởng tới đặc điểm trực giao

của chúng).


23

CDMA sử dụng nguyên lý chia sẻ tần số cho nên, mã WALSH được sử dụng
để phân biệt các kênh trong cấu trúc kênh thông tin của mạng di động. Xét
trên các kênh hướng lên, tuy nhiên với các kênh hướng xống thì lại khác,
người ta khơng sử dụng mã này cho việc nhận dạng, vì trong cùng một thời
điểm MS chỉ sử dụng duy nhất có một kênh, hoặc là kênh truy nhập hay là
kênh lưu lượng mà thôi. Với việc sử dụng đơn giản đó người ta chỉ cần phát
các thông tin mào đầu để thiết lập kênh thông tin trao đổi thông tin với BTS.
Tuy nhiên mã WALSH vẫn được sử dụng để tách ra các chùm bít thơng tin,
Như đã biết với mã W64 có nghĩa là với một biểu tượng này thì bao gồm độ
dài bít là 6 bít, chính vì thế việc thu các biểu tượng này là rất đơn giản và đạt
tốc độ cao, trong khi nếu thu từng bít một thì rất phức tạp và tốc độ chậm
cùng với độ nhầm lẫn thơng tin lớn hơn. Khi đó hệ thống sẽ có đủ thời gian để
nhanh chóng giải mã thơng tin hướng xuống đây cũng chính là điểm thuận lợi
của hệ CDMA cho phép nhanh chóng kiểm tra chất lượng của đường tín hiệu
hướng xuống tạo điều kiện cho phép điều khiển cơng suất. Khiến cho MS có
thể di chuyển với tốc độ rất cao cũng không ảnh hưởng mấy đến chất lượng.
Thông tin trên các kênh khác nhau được nhân với các mã WALSH khác nhau
để phân biệt chúng. Trong mã Walsh khơng hề có nét đồng dạng giữa các mã
này với nhau vì vậy chúng mang đặc điểm ngẫu nhiên. Các mã ngẫu nhiên
này hồn tồn có thể được xem là tạp âm xét trong miền tần số.
Nhờ sử dụng mã này để phân biệt các kênh thông tin mà ta có các kênh logic
sau cho hướng xuống:
- Kênh Pilot.
- Kênh đồng bộ
- Kênh nhắn tin.

- Kênh điều khiển chung.
- Kênh nhắn tin nhanh.