Kỹ thuật trải phổ FHSS và DSSS

Khi tài nguyên vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt, người ta bắt đầu phải áp dụng kỹ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Có hai kỹ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là FHSS và DSSS.

Hầu hết các hệ thống mạng Wifi và WiMAX đều sử dụng kỹ thuật trải phổ. Việc trải phổ được thực hiện để cân bằng khả năng sử dụng băng tần hiệu quả với độ tin cậy, độ an toàn và bảo mật. Với công nghệ này, độ rộng băng tần được dùng lớn hơn so với truyền dẫn băng hẹp. Băng tần rộng hơn có nghĩa là giao thoa và pha đinh sẽ ảnh hưởng chỉ một phần nhỏ của trải phổ. Do đó năng lượng của tín hiệu tương đối ổn định theo thời gian. Tuy nhiên việc tạo ra tín hiệu công suất lớn hơn khi trải phổ dẫn đến dẽ bị phát hiện hơn nếu máy thu biết được các tham số của tín hiệu trải phổ được phát quảng bá. Khi máy thu không được bật đúng tần số, một tín hiệu trải phổ sẽ giống như nhiễu nền.

1.Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS

Các hệ thống DSSS mang lại truyền dẫn tin cậy với các tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tương đối nhỏ. Bản chất của DSSS là thực hiện trải năng lượng tín hiệu trên một dải tần rộng. Năng lượng trên một đơn vị xung giảm xuống. Do đó nhiễu do hệ thống DSSS tạo ra nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống băng hẹp. Nhờ vậy cho phép các tín hiệu DSSS phân chia cùng một băng tần. Đối với một bộ thu bất kỳ, các tín hiệu DSSS xuất hiện như là nhiễu băng rộng công suất thấp và được loại bỏ nhờ các bộ thu băng hẹp.

DSSS thực hiện tổng hợp dòng số liệu với một mã số tốc độ cao hơn. Mỗi bít số liệu được chuyển đổi (ánh xạ - mapping) với một mẫu chung mà chỉ có máy phát và máy thu đã định hướng biết trước được. Mẫu bít này được gọi là mã giả tạp âm (pseudo-noise ) và mỗi bít trong mã được gọi là một bộ chip. Thứ tự của các chip trong một chu kỳ bít là ngẫu nhiên nhưng trình tự giống nhau được lặp đi lặp lại, như vậy tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên từng phần. Tốc độ chip của mã giả tạp âm n bit là lớn hơn n lần tốc độ số liệu. Tốc độ cao như vậy gây ra băng thông rất rộng. Trong tiêu chuẩn IEEE 802.22 sử dụng mã 11 chíp, tốc độ chip lớn gấp 11 lần tốc độ dữ liệu. Mã giả tạp âm lớn hơn thi cần nhiều băng thông hơn vì tốc độ chíp yêu cầu cao hơn. Thông thường trải băng thông gấp 2 lần tốc độ chip. Như vậy tốc độ chip 11 Mchip/s tương đương giải băng thông 22 MHz.

Tại bộ thu các chip được giải trải phổ bởi cùng một mã giả tạp âm và chuyển đổi ngược trở lại thành các bit số liệu gốc. Tuy nhiên trong quá trình truyền dẫn năng lượng của nhiễu và giao thoa có thể bị cộng thêm vào, năng lượng này bị loại bỏ bởi mã giả tạp âm. Ngoài việc biết mã giả tạp âm trong máy phát, bộ thu cũng phải đồng bộ với pha của mã cũng như của tốc độ chíp. Như vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã cũng như tốc độ của chíp. Như vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã giả nhiễu trong thời gian ngắn nhất. Vì quá trình truyền gói không đồng bộ nên mọi gói DSSS phải có một tiêu đề đồng bộ.

Một tham số chính đối với các hệ thống DSSS là số lượng chip trên một bit, tham số này được gọi là độ lợi xử lý hoặc tỷ lệ trải. Xử lý độ lợi là quá trình làm giảm mật độ phổ công suất khi tín hiệu được xử lý để truyền và tăng mật độ phổ công suất khi giải trải phổ, với mục đích chính là làm tăng tỉ số S/N (Signal to Noise ratio). Độ lợi xử lý cao làm tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu của tín hiệu. Độ lợi xử lý thấp làm tăng độ rộng băng thông khả dụng để truyền tín hiệu.

Giới hạn trên của độ lợi xử lý do băng thông khả dụng quyết định. Tiêu chuẩn 802.11 sử dụng mã giả nhiễu 11 chip tức là trải số liệu ra thêm 11 lần trước khi truyền đi, đưa ra độ lợi xử lý 10,4 dB. Độ lợi này rất nhỏ so với các hệ thống tổ ong trải phổ. Do đó việc triệt nhiễu bị hạn chế nhưng nhiều băng thông khả dụng hơn cho truyền dẫn số liệu với tốc độ cao.

Phương pháp DSSS dùng trong WiMAX khác với đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). Phân chia mã liên quan tới các truyền dẫn với các mã giả tạp âm trực giao và các truyền dẫn này có thể chồng lấn lên nhau nhưng không ảnh hưởng tới nhau. Các nút khác nhau phát đi bằng mã riêng. Mỗi bộ thu phù hợp với mã của một kênh truyền, các tín hiệu khác (dùng mã khác) xuất hiện như là nhiễu nền. Trong quá trình giải trải phổ (despread) nhiễu này sẽ bị loại bỏ. Một hệ thống CDMA truy cập ngẫu nhiên yêu cầu các máy thu phức tạp sao cho các máy thu này có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả ngẫu nhiên. Các WiMAX DSSS sử dụng cùng một mã giả ngẫu nhiên và do đó không có tập hợp mã khả dụng như đối với CDMA. Một mã duy nhất cho phép thông tin quảng bá dễ dàng. Ngoài ra mã có thể ngắn hơn nhờ vậy làm tăng băng thông truyền số liệu.

Trải phổ chuỗi trực tiếp cho thông lượng cao hơn và chống được can nhiễu tốt hơn so với trải phổ nhảy tần. Nhưng DSSS lại tiêu tốn nhiều năng lượng gấp hai đến ba lần nên tốn kém hơn. Các nhà sản xuất giải pháp cho mạng WiMAX tách thành hai xu hướng khác nhau là sử dụng DSSS hoặc FSSS.

2. Trải phổ nhảy tần FSSS.

FHSS trải tín hiệu bằng việc phát một trùm ngắn trên một kênh tần số và sau đó thay đổi (nhảy) sang một kênh khác trong một thời gian ngắn khác theo một mẫu đã định nghĩa trước mà cả máy phát và máy thu đều biết. Không giông như DSSS trải tín hiệu trên một miền tần số, sử dụng nhiều kênh tần số đồng thời, FHSS chia tín hiệu trên một miền thời gian và sử dụng nhiều kênh tần số ngẫu nhiên. FHSS dùng một sóng mang băng hẹp thay đổi tần số theo một mẫu mà cả máy thu và mát phát đều biết. Vì các kênh tần số là băng hẹp nên chúng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm rất tốt và các bộ lọc băng hẹp có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu.

Mẫu nhảy tần xác định các kênh tần số đã chọn và thứ tự các kênh được sử dụng. Đồng bộ giữa máy phát và máy thu được yêu cầu và phải duy trì sao cho chúng đang cùng nhảy tần trên cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm. Đối với các hệ thống FHSS độ lợi xử lý được định nghĩa như là tỷ lệ của toàn bộ băng thông bao trùm các kênh tần số trên băng thông tín hiệu.                              

Tỷ lệ giữa tốc độ nhảy và tốc độ số liệu tạo ra 2 phương thức của FHSS. Khi tỷ lệ nhảy lớn hơn tốc độ số liệu hệ thống được xem như nhảy tần nhanh. Ngược lai khi tốc độ nhảy tần thấp hơn hệ thống thì được gọi là hệ thống nhảy tần chậm. Tốc độ nhảy tần có ảnh hưởng rất sâu tới chất lượng mạng của hệ thống FHSS. Đối với các hệ thống FHSS chậm thì có thể dễ bị mất các gói số liệu. Vì vậy nhảy tần nhanh thường thực hiện tốt hơn nhảy tần chậm ngay cả khi có cùng độ lợi xử lý. Tuy nhiên FHSS nhanh lại có chi phí thực hiện cao hơn bởi vì chúng yêu cầu nhảy tần rất nhanh.

Khác với DSSS là sử dụng mã giả ngẫu nhiên, FHSS có thể sử dụng nhiều hơn một mẫu nhảy tần để tăng dung lượng mạng. Ý tưởng dùng nhiều mẫu nhảy tần tương đương với sử dụng nhiều mã giả tạp âm khác nhau.

3. So sánh FHSS và DSSS

FHSS không có quá trình xử lý độ lợi do tín hiệu không được trải phổ. Vì thế nó sẽ phải dùng nhiều công suất hơn để có thể truyền tín hiệu với cùng mức S/N so với tín hiệu DSSS. Tuy nhiên tại băng tần ISM theo quy định có mức giới hạn công suất phát, do đó FHSS không thể đạt được S/N giống như DSSS. Bên cạnh đó việc dùng FHSS rất khó khăn trong việc đồng bộ giữa máy phát và máy thu vì cả thời gian và tần số đều yêu cầu cần phải được đồng bộ. Trong khi DSSS chỉ cần đồng bộ về thời gian giữa các chip. Chính vì vậy FHSS sẽ mất nhiều thời gian để tìm tín hiệu hơn, làm tăng độ trễ trong việc truyền dữ liệu hơn so với DSSS.

Như vậy chúng ta có thể thấy DSSS là kỹ thuật trải phổ có nhiều ưu điểm hơn.