Hệ thống thông tin di động W-CDMA

Hệ thống thông tin di động W-CDMA

Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng Trung t©m ®μo t¹o b−u chÝnh viÔn th«ng I HÖ thèng th«ng tin di ®éng w-CDMA (Tμi liÖu dμnh cho c¸c kho¸ båi d−ìng) Biªn so¹n: KS. NguyÔn V¨n ThuËn Hμ Néi 12/2004 1 Đề cơng bI giảng hệ thống thông tin di động W-CDMA 1. Mục tiêu: Theo định hớng phát triển mạng thế hệ sau (NGN) của VNPT, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) sẽ đợc triển khai, cụ thể là sẽ phát triển theo lộ trình từ hệ thống GSM hiện tại lên hệ thống W-CDMA nh trong hợp chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định hớng này, tài liệu giảng dạy về Hệ thống thông tin di động W-CDMA đợc biên soạn nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA. 2. Đối tợng: Tài liệu không chỉ để sử dụng cho các khoá bồi dỡng ngắn hạn mà còn có thể sử dụng cho các cán bộ kỹ thuật đang công tác trên mạng lới của VNPT và các sinh viên ngành Điện tử -Viễn thông . 3. Độ dI của tI liệu : Khoảng 150 trang ( dự kiến) 4. Nội dung: Chơng 1:Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 và hợp chuẩn IMT-2000 (10 trang) 1.1 Quá trình phát triển các thế hệ thông tin di động 1.2 Hợp chuẩn IMT- 2000 Chơng 2: Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến trong W-CDMA (40 trang) 2.1 Công nghệ trải phổ W-CDMA (IMT-2000 CDMA-DS) 2.2 Các công nghệ truyền dẫn cơ bản trong W- CDMA 2.3 Các công nghệ để tăng dung lợng đờng truyền Chơng 3: Mạng truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA (50 trang) 3.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA 3.2 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 3.3 Các kênh vô tuyến 3.4 Các thiết bị mạng truy nhập vô tuyến 2 3.5 Các thiết bị đầu cuối di động Chơng 4: Các kỹ thuật xử lý đa phơng tiện (40 trang) 4.1 Tổng quan 4.2 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đa phơng tiện ( hình ảnh, âm thanh và thoại) 4.3 Các kỹ thuật xử lý đối với dịch vụ internet di động 4.4 Kỹ thuật xử lý tin nhắn đa phơng tiện Chơng 5: Viễn cảnh công nghệ của hệ thống thông tin di động W-CDMA (10 trang) 5.1 Viễn cảnh về các công nghệ vô tuyến 5.2 Viễn cảnh về các công nghệ mạng 5.3 Viễn cảnh về các công nghệ xử lý tín hiệu 5. Giáo viên biên soạn v hiệu chỉnh - Biên soạn: Nhóm giáo viên Vô tuyến của Trung tâmĐào tạo Bu chính Viễn thông 1 - Hiệu chỉnh: Các Giảng viên của Học viện BCVT và Chuyên viên của VNPT (dự kiến) Lời nói đầu Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động với khả năng giúp con ngời trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu đợc trong xã hội thông tin ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, thông tin di động đã liên tục phát triển và đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã đợc đa vào khai thác thơng mại ở nhiều nớc trên thế giới. ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đã và sẽ đợc nhanh chóng triển khai. Đối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định hớng này, tài liệu giảng dạy về Hệ thống thông tin di động W-CDMA đợc biên soạn nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA. Tài liệu không chỉ để sử dụng cho các khoá bồi dỡng ngắn hạn mà còn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật đang công tác trên mạng lới của VNPT và các sinh viên ngành Điện tử -Viễn thông . Tài liệu đợc chia làm 5 chơng. Chơng 1 giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động, so sánh lộ trình phát triển lên thông tin di động thế hệ thứ 3 từ cdmaOne và GSM, sau cùng là phần khái quát về hợp chuẩn IMT-2000. Chơng 2 đề cập đến các công nghệ truyền dẫn vô tuyến trong W-CDMA nh công nghệ trải phổ trực tiếp, các công nghệ để tăng dung lợng đờng truyền. Chơng 3 tập trung mô tả mạng truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA với các thiết bị mạng truy nhập và thiết bị đầu cuối di động. Chơng 4 đề cập đến các nội dung sâu hơn về hệ thống W-CDMA đó là các kỹ thuật xử lý đa phơng tiện nh xử lý hình ảnh, Internet di động, tin nhắn đa phơng tiện. Cuối cùng, chơng 5 giới thiệu đến bạn đọc những viễn cảnh công nghệ của hệ thống thông tin di động W-CDMA. Mặc dù đã hết sức cố gắng và đã nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp quí báu từ các chuyên gia và các đồng nghiệp, nhng cuốn sách chắc chắn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách đợc hoàn chỉnh hơn. Mọi đóng góp xin gửi về Trung tâm Đào tạo Bu chính Viễn thông 1, Thị xã Hà đông, Tỉnh Hà tây. Điện thoại: 048549607. Tháng 12 năm 2004 Trung tâm Đo tạo Bu chính Viễn thông 1 1 Mục lục Chơng 1: Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 và hợp chuẩn IMT-2000 4 1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 4 1. 2. Tổng quan về IMT-2000 9 1.2.1 Mục tiêu của IMT-2000 9 1.2.2 Chuẩn hóa IMT-2000 11 1.2.3 Băng tần IMT-2000 13 chơng 2: Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W- CDMA 15 2.1 Công nghệ trải phổ W- CDMA 15 2.1.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) 15 2.1.2 Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ 17 2.1.3 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến 18 2.1.4 ứng dụng u điểm của công nghệ W-CDMA trong thông tin di động 19 2.2 Các công nghệ truyền dẫn cơ bản trong W- CDMA 22 2.2.1 ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ 23 2.2.2 Tìm nhận ô 26 2.2.3 Truy nhập ngẫu nhiên 30 2.2.4 Các công nghệ để thoả mãn các yêu cầu về chất lợng khác nhau trong truyền dẫn đa tốc độ 31 2.2.5 Phân tập đa dạng 44 2.3 Các công nghệ để tăng dung lợng đờng truyền trong W- CDMA 52 2.3.1 Thiết bị triệt nhiễu 53 2.3.2 Phân tập dàn anten thích ứng 59 chơng 3: Mạng truy nhập vô tuyến 66 3.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA 66 3.2 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 67 3.2.1 Các đặc điểm của W-CDMA 67 3.2.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA 69 2 3.2.3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến 72 3.2.4 Các công nghệ then chốt trong W-CDMA 73 3.2.5 Kỹ thuật thu phát song công (hai chiều) phân chia theo thời gian (TDD) và Kỹ thuật thu phát song công phân chia theo tần số (FDD) 77 3.3 Các kênh vô tuyến 77 3.3.1 Các kênh lôgíc 80 3.3.2 Các kênh truyền tải 80 3.3.3 Các kênh kênh vật lý 82 3.4 Các thiết bị mạng truy nhập vô tuyến 85 3.4.1 Tổng quan về cấu hình hệ thống thiết bị truy nhập vô tuyến 85 3.4.2 BTS 86 3.4.3 RNC 91 3.4.4 MPE 92 3.4.5 Anten BS 94 3.5 Các thiết bị đầu cuối di động 100 3.5.1 Triển khai các thiết bị đầu cuối di động 100 3.5.2 Các đặc tính kỹ thuật truy nhập vô tuyến và các công nghệ phần cứng 103 3.5.3 UIM 109 3.5.4 Các công nghệ thiết bị hiển thị 112 3.5.5 Giao diện ngoài 114 3.5.6 Viễn cảnh tơng lai của các thiết bị đầu cuối di động 119 Chơng 4: Các kỹ thuật xử lý đa phơng tiện 121 4.1 Tổng quan 121 4.2 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đa phơng tiện 121 4.2.1 Xử lý hình ảnh 121 4.2.2 Xử lý âm thanh và thoại 128 4.2.3 Các hệ thống xử lý tín hiệu đa phơng tiện 133 4.3 Các kỹ thuật xử lý đối với dịch vụ Internet di dộng 139 4.3.1 Các dịch vụ ISP di động 139 4.3.2 Các kỹ thuật phát tán thông tin đa phơng tiện 144 4.3.3 Các ngôn ngữ đánh dấu nội dung 148 3 4.3.4 Chuẩn hóa Internet di động (WAP) 151 4.4 Các kỹ thuật xử lý tin nhắn đa phơng tiện 155 4.4.1 Tổng quan 155 4.4.2 Các xu hớng tiêu chuẩn hóa 156 4.4.3 Mô hình nguyên lý 156 4.4.4 Mô hình triển khai 157 4.4.5 Kỹ thuật phát tin quảng bá 158 Chơng 5: Viễn cảnh công nghệ của các hệ thống thông tin di động W-CDMA 159 5.1. Tổng quan 159 5.2. Viễn cảnh về các công nghệ vô tuyến 160 5.2.1 Phơng thức TDD 160 5.2.2 Truy nhập gói đờng xuống tốc độ cao (HSPDA) 163 5.3 Viễn cảnh về các công nghệ mạng 165 5.3.1 Thông tin gói IP trong các mạng thông tin di động 165 5.3.2 Xu hớng công nghệ trong các mạng IP 166 5.3.3 Triển khai và cấu hình mạng IP hoá hoàn toàn 168 5.4 Viễn cảnh về các công nghệ xử lý tín hiệu 169 5.4.1 Công nghệ tránh kết nối chuyển tiếp 170 5.4.2 Công nghệ mã hoá đa tốc độ thích ứng băng rộng (AMR-WB) 171 5.4.3 Truyền thông đa phơng tiện theo gói 172 Các từ viết tắt 175 Tài liệu tham khảo 178 4 Chơng 1 Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 v hợp chuẩn IMT-2000 1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Thông tin di động đã đợc đa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ đợc sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác đợc biết đến hơn 50 năm trớc đây, nhng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi và có dung lợng rất thấp.Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tơng tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Cỏc h thng thụng tin di động t bo tng t nổi tiếng nhất là: hệ thống di ng tiờn tin (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện (TACS) v H thng NTT. Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lợng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng đợc các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM đợc phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu âu ở băng tần 900MHz. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động đợc đa vào hoạt động vào năm 1993, hiện đang đợc hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, mới đây Viettel là công ty thứ ba đa vào khai thác hệ thống GSM trên thị trờng thông tin di động Việt nam. Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng đợc nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced cordless Telecoms) của châu Âu và PHS của Nhật cũng đã đợc đa vào khai thác. Ngoài kỹ 5 thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA đợc đa vào sử dụng ở một số nớc. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng phơng pháp truy nhập TDMA nh GSM (Châu Âu), PDC ( Nhật) hoặc phơng pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 ( CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2( 2G). Cỏc h thng thụng tin t bo s cú nhiu im ni bt nh cht lng thụng tin c ci tin nh cỏc cụng ngh x lý tớn hiu s khỏc nhau, nhiều dch v mi (VD: cỏc dch v phi thoi), kỹ thuật mó húa c ci tin, tng thớch tt hn vi cỏc mng s v phỏt huy hiu qu d i ph vụ tuyn. Bng 1.1 mụ t cỏc thụng s c bn ca cỏc tiêu chun cho các h thng thụng tin t bo s ca Nht Bn, M v Chõu u. Ngoi chun IS-95 dựa trên công nghệ CDMA, tt c cỏc chun khỏc u da trờn cụng ngh TDMA. Bng 1.1 Cỏc thụng s c bn ca H thng thụng tin t bo s Bc M PDC (Nht Bn) IS-54 IS-95 Chõu u GSM Bng tần 800MHz/1,5 GHz 800 MHz 900 MHz Khong cỏch tn s 50 kHz (xen kẽ 25kHz ) 50 kHz (xen kẽ 25 kHz ) 1,25 MHz 400 kHz ( xen kẽ 200 kHz ) C ch truy nhp TDMA/FDD TDMA/FDD DS- CDMA/FDD TDMA/FDD C ch mó húa thoi 11,2 kbit/giõy VSELP 5,6 kbit/giõy PSI-CELPP 13 kbit/ giõy VSELP 8,5 kbit/ giõy QCELP tc bin thiên 4 nấc 22,8 kbit/ giõy RPE-LTP-LPC 11,4 kbit/giõy EVSI Phơng pháp iu ch QPSK QPSK Hng xung: QPSK Hng lờn: OQPSK GMSK * Chỳ thớch: RPE: Mó húa d bỏo kớch thớch xung u LTP: Mó húa d bỏo di hn LPC: Mó d bỏo tuyn tính; FDD: Song cụng chia tn s; v PSI-CELP: D bỏo tuyn tính kớch thớch mó - i ng b âm. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba -IMT 2000 đang đợc nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (tơng tự) và thứ 2 ( số), hệ thống thông tin di động thế hệ [...]... nhiều dịch vụ mới khác) Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn đợc gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu đợc đa vào khai thác Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G đợc minh hoạ ở hình 1.1 cdmaOne... Truyền hình hội nghị Hệ thống tìm thông tin định vị Thơng mại điện tử Trung tâm dữ liệu Mạng thông tin di động đa phơng tiện Lĩnh vực cá nhân Thơng mại điện tử Cơ sở dữ liệu dịch v thông tin Hệ thống cho ngời cao tuổi và y tế từ xa Hệ thống thông tin khẩn cấp Nhạc theo yêu cầu Hệ thống y T.V và Video tế từ xa theo yêu cầu Sách, báo điện tử T.V tơng tác Hệ thống tự học tại gia Hệ thống giám sát từ xa... lợng hệ thống đợc tăng lên tối đa khi tín hiệu phát của máy di động đợc thu bởi BS có tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở mức yêu cầu tối thiểu nhờ việc điều khiển công suất phát ở máy di động Chất lợng thông tin của máy di động sẽ giảm nếu tín hiệu của máy di động đợc thu bởi BS quá yếu Nếu tín hiệu của máy di động quá khoẻ thì chất lợng thông tin của máy di động sẽ đợc cải thiện nhng nhiễu tới các máy di động. .. trong hệ thống DS-CDMA 2.1.4 ứng dụng các u điểm của công nghệ W-CDMA trong các hệ thống di động (i) Điều chỉnh công suất phát (TPC) Hệ thống W-CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều, chiều đi(từ BS tới máy di động ) và chiều về ( từ máy di động tới BS ) để nâng cao dung lợng, đảm bảo dịch vụ thoại chất lợng cao và các lợi ích khác Mục đích của việc điều khiển công suất phát ở máy di động. .. dụng thơng mại khác 14 chơng 2 Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W- CDMA 2.1 Công nghệ trải phổ W- CDMA 2.1.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) đợc sử dụng cho hệ thống di động CDMA thế hệ thứ hai của Mỹ, hệ thống CDMA-WLL của Nhật và hiện đang đợc sử dụng trong các hệ thống di động thế hệ thứ ba W-CDMA Trong các hệ thống trải phổ DS, một số liệu băng gốc dạng... sử dụng) kênh băng rộng trong hệ thống W-CDMA Tổng lợng nhiễu trong tín hiệu của máy di động thu nhận từ BS là tổng lợng nhiễu gây ra bởi các máy di động khác trong cùng BS và lợng nhiễu gây ra bởi các máy di động ở các BS lân cận Nói cách khác, mỗi tín hiệu của một máy di động gây nhiễu tới tất cả các tín hiệu của các máy di động khác Tổng lợng nhiễu từ tất cả các máy di động trong các BS lân cận thì... 3G 6 Bảng 1.2 Từ GSM lên 3G Yêu cầu thiết bị truyền số liệu gói Các máy di động cầm tay Cơ sở hạ tầng thiết bị Nền tảng công nghệ EDGE (Các tốc độ số liệu bậc cao để phát triển GSM ) Các máy di Các máy di Các máy di động đơn mốt động cầm tay động cầm tay mới (một chế độ mới hoạt động) không có khả năng xử lý số liệu gói Các máy di động cầm tay Các máy cầm GPRS cho tay EDGE sẽ phép làm việc làm việc ở... toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối ITU-R ớc tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160MHz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2 x 67 MHz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới Để đáp ứng dự báo này, Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000 (WRC-2000) đã đề xuất dành các băng tần 800 MHz ( 806-960 MHz), 1,7 GHz ( 1710-1885 MHz) và 2,5... mang 3X mang 1X (MC 3X) (MC 1X) Các máy di Các máy di động theo động theo chuẩn năm chuẩn 1X năm 2001 1999 Các máy di động cầm tay theo chuẩn IS95B sẽ làm việc trên mạng IS95A ở tốc độ 14,4Kbit/s và trên các mạng IS-95B, 1X và 3X ở tốc độ lên tới 114 kbit/s* đây là các máy một chế độ hoạt động Đa thêm phần mềm mới vào BSC Các máy di động cầm tay mới Các máy di động cầm tay 3X sẽ làm việc trên mạng IS95A... định nào đó, tức là máy di động đã di chuyển sang vùng phục vụ của một BS mới và quá trình chuyển giao có thể bắt đầu Máy di động gửi bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cờng độ tín hiệu và số hiệu của BS mới Sau đó, MSC thiết lập một đờng truyền mới giữa máy di động và BS mới và bắt đầu quá trình chuyển giao trong khi vẫn giữ đờng truyền ban đầu Trong trờng hợp máy di động đang ở trong một vùng . phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn đợc gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Cỏc h thng thụng tin di động t bo tng t nổi tiếng nhất là: hệ thống di ng tiờn tin (AMPS), hệ thống