nghiên cứu hệ thống thông tin đa truy nhập cdma

Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO SVTH: Trương Văn Thông 1 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO I. Lịch Sử Phát Triển Của Thông Tin Di Động: Thông tin di động đã được sử dụng khá lâu. Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và công nghệ vô tuyến đã được biết đến. Hơn 50 năm trước đây, dịch vụ di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở dạng sử dụng được, vậy khi đó nó mới chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống vận hành. Các hệ thống điện thoại đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng thấp so với các hệ thống ngày nay. Cuối cùng các hệ thống thoại tổ ong điều song công sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980. Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu càng tăng của người sử dụng vào tương lai nếu không loại bỏ được các hạn chế cổ hữu của hệ thống này như: Phân bổ tần số rất hạng chế, dung lượng thấp. Thoại ồn, và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch. Không đáp ứng được các dịch vụ mới của khách hàng. Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị, và cơ sở hạ tầng. Không đảm bảo tính bảo mật của cuộc gọi. Không tương thích các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở Châu Âu. Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động, cung với các kỹ thuật đa truy cập mới. Một số ưu điểm của thông tin di động số Cellular: Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần số cao hơn. Số hoá tín hiệu thoại với tốc độ bít ngày càng thấp,cho phép nhiều kênh thoại hơn vào dòng bít tốc độ chuẩn. Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu, tỷ lệ lớn hơn cho tin tức người sử dụng. Áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh, và mã hoá nguồn của truyền dẫn số. SVTH: Trương Văn Thông 2 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường Hệ thống chiếm nhiều kênh chung CCI (Cochannel Interference) và các kênh kề (Adjacert Channel Interfernce) hiệu quả hơn. Điều này làm tăng dung lượng hệ thống. Nhận thực, truyền số liệu kết nối ISDN. Điều khiển truy cập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, diện tích cell nhỏ hơn, chuyển giao nhiều hơn, báo hiệu dễ dàng hơn xử lý bằng phương pháp số. Đặc điểm của mô hình điện thoại di động tế bào cell là việc sử dụng lại tần số, và diện tích của cell khá nhỏ trong thực tế, sự tăng trưởng trong một cell nào đó chiếm mức chất lượng giảm sút quá mức, người ta thực hiện việc chia tách cell thành các cell nhỏ hơn, người ta sử dụng công suất nhỏ hơn và các mẩu sử dụng ở tỷ lệ xích nhỏ hơn. Các hệ thống đó sẽ cung cấp thêm nhiều loại hình dịch vụ mới như: Thông tin thoại, âm thanh hình ảnh, hội nghị truyền hình, giáo dục từ xa, … thông suốt trong phạm vi toàn cầu. II. Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Di Động Tế Bào: 1. Tổng Quan: Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động tổ ong được chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, gọi là các ô, mỗi ô có một trạm gốc phụ trách và được điều khiển bởi tổng đài sao cho thuê bao vẫn duy trì được cuộc gọi một cách liên tục khi di chuyển giữa các ô. Trong hệ thống thông tin di động tổ ong thì tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định, ở một kênh nào đó mà kênh đó tín hiệu đàm thoại được xác định nhờ kênh báo hiệu, và máy di động được đồng bộ về vấn đề tần số một cách tự động. Vì vậy các ô kề nhau nên sử dụng tần số khác nhau, còn các ô ở xa hơn một khoảng nhất định thì có thể tái sử dụng lại tần số đó. Để cho phép các máy di động có thể di trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài phải điều khiển các kênh báo hiệu, hoặc các kênh lưu lượng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số của máy thích hợp một cách tự động. SVTH: Trương Văn Thông 3 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống thông tin di động tăng lên vì các kênh RF giữa các BS kề nhau có thể được định vị một các có hiệu quả nhờ việc tái sử dụng lại tần số, vì vậy dụng lượng thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên. 2. Mô Hình Hệ Thống Thông Tin Di Động Tế Bào: Hệ thống thông tin di động tế bào gồm bốn phần chính: Phân hệ chuyển mạch BSS (Base Station Subsystem), trạm di động MS (Mobile Station), hệ hỗ trợ và khai thác OSS (Operation And Support Support Subsystem).  Phân hệ chuyển mạch SS: Phân hệ chuyển mạch bao gồm trung tâm chuyển mạch MSC (Mobile Switching Center), trung tâm nhận thực AUC (Authentication Center), và các thanh ghi nhận thiết bị ERI (Equiqment Identification Register).  Phân hệ trạm gốc BSS: Phân hệ trạm gốc bao gồm một bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controller), điều khiển một nhóm trạm gốc vô tuyến gốc BTS (Base Tranceiver Station). Mỗi trạm gốc BTS quản lý một cell của nó. BTS có chức năng chủ yếu là chuyển giao và điều khiển công suất.  Trạm thuê bao MS: MS cung cấp giao diện với người sử dụng (Micro, màn hình, bàn phím…), và giao diện với các thiết bị đầu cuối khác. MS gồm hai phần chủ yếu: Module nhận dạng thuê bao SIM (Subcriber Identify Module), và phần chứa các thiết bị thu, phát gọi là ME (Mobile Equitment) SIM là phần chứa Hardware và Software lien quan đến giao tiếp.  Phân hệ hổ trợ và khai thác OSS: Phân hệ hỗ trợ và khai thác OSS được xây dựng trên nguyên lý TMN (TeleCommunication Management Networt - mạng quản lý viễn thông). OSS có ba chức năng chính: chức năng khai thác và bảo dưỡng, chức năng quản lý thuê bao, chức năng quản lý MS, BS, MSC được liên kết với nhau thông qua đường kết nối thoại và số liệu. Mỗi MS sử dụng một cặp kênh thu, phát RF, vì các kênh lưu lượng không cố định ở kênh RF nào mà thay đổi ở các tần số RF khác nhau phụ thuộc SVTH: Trương Văn Thông 4 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường vào sự di chuyển của các máy di động trong suốt quá trình thực hiện cuộc gọi, nên cuộc gọi có thể thiết lập qua bất cứ kênh nào đã được thiết lập qua vùng đó. Bộ điều khiển MSC là bộ phận chính của hệ thống thông tin di động tế bào. Nó quản lý và điều khiển toàn bộ hệ thống. Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin tế bào SVTH: Trương Văn Thông 5 SS BSS AUC HLR MSC EIRVLR BTS BSC MS OMS ISD N PST N PLM N CSPD Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG I. Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Nhất: 1. Tổng Quan: Hệ thống xuất hiện vào đầu năm 80, dùng kỹ thuật điều chế FM tương tự, trong đó có hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ thoại tiên tiến. Bao gồm các hệ thống thông tin di động tổ ong tương tự: AMPS: hệ thống thoại tiên tiến, ra đời năm 1983, do Mỹ sản xuất. NAMPS: Narrow AMPS băng thông hẹp, do hãng motorola đề xướng và thực hiện. TACS: (Total Access Communication System): hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ, kỹ tượng tự của Anh. Chỉ tiêu ban đầu được mở rộng thành Extended TACS. Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ mở rộng. Hệ thống dùng kỹ thuật điều chế FM tương tự và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), tức là mỗi kênh được gán cho một băng tần duy nhất trong một nhóm cell. Thực hiên các loại hình dịch vụ: Sử dụng công nghệ điều chế FM để truyền dẫn thoại và báo hiệu số cho thông tin điều khiển. Mạng chỉ có phạm vi cung cấp dịch vụ trong nước. Băng tần hoạt đông trong khoảng từ: 450 đến 900MHz. Tất cả các hệ thống cellular thuộc thế hệ này trên đều sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), mỗi kênh được phân cho một tần số duy nhất trong một nhóm cell. SVTH: Trương Văn Thông 6 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường 2. Các Tham Số Hệ Thống: Tham số hệ thống AMPS và TACS Tham Số Hệ Thống AMPS TACS Tần số trạm gốc BTS (MHz). Tần số máy phát di động MS (MHz). Khoảng cách giữa máy thu và máy phát (MHz). Khoảng cách tần số giữa các kênh (MHz). Tổng số kênh. Tốc độ phát data (KPBS). Bán kính trung bình (Km). Điều chế tín hiệu âm tần. Độ lệch tần số (KHz). Điều chế tín hiệu điều khiển. 869 ÷ 894 824 ÷ 849 45 30 832 10 2 ÷ 20 FM ±12 FSK 917 ÷ 95 872 ÷ 905 45 30 1320 8 2 ÷ 20 FM ±9,5 FSK II. Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Hai: 1. Tổng Quan: Sự phát triển nhanh về số lượng thuê bao, và nhiều nhu cầu dịch vụ mà thế hệ thứ nhất không đáp ứng được đã thúc đẩy tiến trình phát triển của thế hệ di động thứ hai (2G). Thế hệ thứ hai này ra đời nhằm cải tiến chất lượng thoại, khả năng phủ sóng đồng thời tăng dung lượng của hệ thống. Hệ thống này chủ yếu sử dụng các kỹ thuật nén và mã hoá phối hợp với kỹ thuật số. Các tiêu chuẩn của hệ thống 2G được định nghĩa và thiết kế chỉ để hỗ trợ thoại và truyền dữ liệu tốc độ thấp, chương trình duyệt internet (wap). Các kỹ thuật truy nhập như: TDMA, CDMA sử dụng cùng FDMA trong hệ thống. 2. Các Hệ Thống Thông Thông Tin Chủ Yếu Ở Thế Hệ 2G: SVTH: Trương Văn Thông 7 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường GSM: (Global System for Mobile Communication): Đây là hệ thống thông tin di động toàn cầu, ra đời ở Châu Âu. Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Hệ thống GSM được phát triển năm 1982 khi các nước Bắc Âu gởi kiến nghị đến CEPT để qui định một số dịch vụ viễn thông chung Châu Âu ở băng tần 900Mhz. CDMA IS – 95: (Code Division Mutilple Access): Công nghệ sử dụng trải phổ trước đó đã áp dụng trong quân đội. Đa truy nhập phân chia theo mã IS-95. Lý thuyết trải phổ đã trở thành động lực cho sự phát triển nhiều ngành vô tuyến công nghiệp như: Thông tin cá nhân, thông tin đa thâm nhập làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ hàng đầu trong việc giảm tắc nghẽn gây ra do sự bùng nổ của các máy điên thoại di động và cố định cũng như các đầu cuối số liệu vô tuyến. TDMA IS – 136: đa truy nhập phân chia theo thời gian. Các Hệ thống thông tin di động trên hầu hết điều dùng kỹ thuật nén, mã hoá phối hợp với kỹ thuật số. Các phương pháp đa truy nhập như: TDMA, FDMA, CDMA. Cung cấp các loại hình dịch vụ như: Nhận thức, số liệu, mật mã hoá, đặc biệt kết nối với mạng ISDN, đồng thời cung cấp các loại hình dịch vụ giải trí đa phương tiện. Mạng có khả năng sử dụng trong và ngoài nước. Tần số hoạt động trong khoảng từ: 824 ÷ 960Mhz. III. Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Ba (3G): 1. Tổng Quan: Dựa trên các yêu cầu dịch vụ mới của thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động ở thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm phục vụ các mục tiêu chính sau: Tốc độ truy cập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như truy cập internet nhanh, hoặc các dịch vụ đa phương tiện. SVTH: Trương Văn Thông 8 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân toan cầu, và điện thoại vệ tinh. Các chức năng này sẽ mở rộng đáng kể khả năng phủ sóng của các hệ thống thông tin di động. Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, để đảm bảo tính bảo mật cùng với sự phát triển liên tục của thông tin di động. 2. Các Hệ Thống Cơ Bản: CDMA – 2000: (Code Division Multiple Access – 2000): Đây là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã – 2000. WCDMA: Đây là hệ thống CDMA băng thông rộng. Công nghệ IMT- 2000: (International Mobile Telecommunication - 2000): Đây là hệ thống viễn thông di động quốc tế -2000. Hệ thống chủ yếu sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Cung cấp băng thông rộng. Phục vụ các loại hình dịch vụ: Cung cấp băng tần rộng để truy cập internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lương rất tốt. Phạm vi sử dụng của mạng là: Mạng sử dụng rất tốt trong nước và trên toàn thế giới. Sử dụng tần số quy định quốc tế là 2Ghz. SVTH: Trương Văn Thông 9 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường CHƯƠNG III: CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SỬ DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Việc phân chia các kênh liên lạc cho mỗi MS được gọi là kỹ thuật đa thâm nhập. Có ba kỹ thuật đa truy nhập đã được sử dụng như: FDMA, TDMA, CDMA. I. FDMA (Frequency Division Multiple Access): Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số: Kỹ thuật này được sử dụng phân chia tín hiệu trên miền tần số. Mỗi trạm mặt đất phát một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm khác, và các sóng mang này chúng không chồng lấn lên nhau nhờ các băng thông phòng vệ thích hợp. Phương pháp này cho phép tất cả các trạm mặt đất truyền dẫn liên tục không cần điều khiển định thời đồng bộ, và thiết bị sử dụng khá đơn giản. Tuy nhiên do các kênh truyền dẫn được phân chia theo các thước đo vật lý nên phương pháp này thiếu linh động trong việc thay đổi cách phân phối kênh, và có hiện tượng nhiễu xuyên điều chế. Đặc điểm của hệ thống FDMA là: Mỗi MS được cấp phát kênh trong suốt thời gian thông tuyến. Mỗi kênh FDMA chỉ mang duy nhất một mạch thoại tại một thời điểm. Dung lượng kênh bị lãng phí trong thời gian rỗi. Chi phí cho hệ thống là khá lớn. FDMA đòi hỏi có một mạch lộc chính xác để loại bỏ can nhiễu của các kênh lân cận Tái sử dụng lại tần số. SVTH: Trương Văn Thông 10 [...]... và mã hoá số Hệ thống CDMA cung cấp hiệu suất và độ dư mã sửa sai cao Mã sửa sai được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế hiệu suất cao Có thể tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu với máy phát nhờ giảm E b/N0 SVTH: Trương Văn Thông Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA 24 GVHD: Trần Duy Cường HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA2 000-1X SVTH: Trương Văn Thông Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA 25 GVHD:... Hiểu Về Công Nghệ CDMA 25 GVHD: Trần Duy Cường CHƯƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA- 2000 I Tổng Quan: Hệ thống thông tin di động CDMA- 2000 sử dụng kỹ thuật truy n vô tuyến băng thông rộng, giao diện vô tuyến trải phổ sử dụng kỹ thuật đa truy cập theo mã CDMA Đáp ứng nhu cầu dịch vụ trong nhiều loại môi trường Mục đích của công nghệ trải phổ CDMA- 2000 là nhằm mục đích cung cấp các tốc độ bít khác... kênh và 2Mbps với người sử dụng 2 Các tiêu chuẩn CDMA theo TIA/EIA/IS-2000: Phạm vi trải phổ của hệ thống Lớp vật lý tiêu chuẩn của hệ thống trải phổ CDMA Tiêu chuẩn điều khiển truy nhập (MAC) của hệ thống trải phổ CDMA2 000 Báo hiệu điều khiển liên kết truy nhập (LAC) theo tiêu chuẩn của hệ thống trải phổ Tín hiệu analog, và lớp phủ theo tiêu chuẩn của hệ thống trải phổ 3 Độ rộng băng tần: Cấu hình 1,25Mhz... đó: N: Số thuê bao trong một cell K: hệ số tái sử dụng tần số BW: Băng thông tổng P:Công suất mỗi thuê bao III Kỹ thuật CDMA: Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thống thông tin có khả năng chóng phá sóng cao Kỹ thuật trải phổ ứng dụng trực tiếp của lý thuyết thông tin của Shannon, đã trở nên rất quan trọng trong các hệ thống thông tin, do nó có nhiều tính năng ưu việt... của hệ thống CDMA2 000:  HLR/AUC PSTN PSTN BTS MS MSC IS634 BSC BTS BTS Phần tử chính R-P PSDN tim e AAA Server IWF IP ROUTER Internet Internet Hình 2.3: Cấu trúc của hệ thống CDMA2 000 Hệ thống CDMA2 000 là sự phát triển tất yếu của hệ thống cdmaOne, yêu cầu thứ yếu là nâng cấp mạng và vốn đầu tư nhỏ Máy thu phát cầm tay CDMA2 000 tương thích các bộ phận cdmaOne kế thừa Vì vậy sự quá độ từ cdmaOne lên CDMA2 000... Những thuận lợi này của hệ thống cdmaOne đã đem lại các lợi thế thị trường đáng kể Các máy thu phát cdmaOne dẫn đầu trong việc triển khai của các hệ thống thông tin thế hệ 3G ở các thị trường: Châu Á, Mỹ, và Châu Âu SVTH: Trương Văn Thông Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA 33 GVHD: Trần Duy Cường Sự quá độ từ cdmaOne lên CDMA2 000 yêu cầu nâng cấp card kênh và phần mềm cho trạm gốc cdmaOne (trạm gốc cũ có thể... trong hệ thống TDMA và FDMA, thì khó áp dụng tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh sau là quá dài Nhưng do tốc độ truy n dẫn số liệu giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA, nên giao thoa ở người sử dụng khác giảm đáng kể Dung lượng của hệ thống CDMA tăng 2 lần, và suy giảm truy n dẫn trung bình của máy di động khoảng một ½ SVTH: Trương Văn Thông Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA 23... Phân tập theo thời gian có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truy n dẫn cao, mà thủ tục sửa sai yêu cầu Nhưng các phương pháp khác dễ dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA Nhiều bộ tương quan có thể áp dụng đồng thời cho hệ thống thông tin có hai BS Phân tập theo khoảng cách (theo đương truy n), hai cặp anten phát của BS, bộ thu đa đường, và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm) BS... 2.7 Dung lượng: Thực tế thì CDMA xuất phát từ hệ thống chống nhiễu được sử dụng trong quân đội Do hệ thống điều chế băng thông hẹp yêu cầu tỷ số sóng mang trên nhiễu vào khoảng 18dB nên có rất nhiều hạn chế từ quan điểm tái sử dụng tần số Trong hệ thống như vậy thì các kênh sử dụng có một BS, sẽ không được phép sử dụng cho BS khác 2.8 Tách tín hiệu thoại: Trong hệ thống thông tin hai chiều song công thì... 2Mbps) - Hỗ trợ truy n dữ liệu thấp  Hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện  Các ứng dụng mới: - Phát bản tin thêm vào, và các dịch vụ sau (Smart Antennas) - Độ tin cậy trong truy nhập và tuổi thọ nguồn được mở rộng SVTH: Trương Văn Thông Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA 28 GVHD: Trần Duy Cường 1 Băng thông: Hiện nay có hai phương pháp xử lý kênh đường xuống: Đa sóng mang và trải phổ trực tiếp Đa sóng mang là . Công Nghệ CDMA GVHD: Trần Duy Cường CHƯƠNG II: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG I. Hệ Thống Thông Tin Di Động Thế Hệ Thứ Nhất: 1. Tổng Quan: Hệ thống xuất. TDMA, CDMA sử dụng cùng FDMA trong hệ thống. 2. Các Hệ Thống Thông Thông Tin Chủ Yếu Ở Thế Hệ 2G: SVTH: Trương Văn Thông 7 Tìm Hiểu Về Công Nghệ CDMA GVHD: