nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng wll cdma tần số 450mhz

1 nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz Information Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, đồ thị Mở đầu 1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ 1.2 Mã trải phổ 1.2.1 Các mã Walsh 1.2.2 Các mã PN 1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp 1.3.1 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động 1.3.2 ảnh hưởng của đường truyền tới hệ thống CDMA 1.3.2.1 Phân tích đường truyền sóng 1.3.2.2 Hiện tượng che tối 1.3.2.3 Fading Rayleigh đa đường 1.3.2.4 Trễ đa đường 1.3.3 Các phương pháp mã hóa 1.3.3.1 Mã hóa nguồn 1.3.3.2 Mã hóa kênh 1.3.3.3 ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS 1.3.3.4 ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS 1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA Chương II. Dung lượng và đường truyền CDMA 2.1 Dung lượng của hệ thống CDMA 2.1.1 Dung lượng của một cell đơn 2.1.2 Hiệu ứng của tải 2.1.3 Hiệu ứng sector hóa 2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại 2.1.5 Kết luận 2.2 Đường truyền trong CDMA 2.2.1 Đường truyền bất đối xứng 2.2.2 Đường xuống 2.2.2.1 Kênh Pilot 2.2.2.2 Kênh đồng bộ 2.2.2.3 Kênh tìm gọi 2.2.2.4 Kênh lưu lượng 2.2.2.5 Bộ điều chế 2.2.3 Đường lên 2.2.3.1 Kênh truy nhập 2.2.3.2 Kênh lưu lượng 2.3 ảnh hưởng của nhiễu tới kênh truyền cDMA 2.3.1 Kênh pilot 2.3.2 Kênh lưu lượng đường xuống 2.3.3 Kênh lưu lượng đường lên Chương III. mạng WLL CDMA 20001x 3.1 Cấu hình mạng 3.2 Các yêu cầu hệ thống Kết luận 1 Danh mục tài liệu tham khảo LUẬN ÁN THẠC SỸ nghiªn cøu c«ng nghÖ vµ kh¶ n¨ng øng dông m¹ng WLL CDMA tÇn sè 450MHz 2 Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 Mở đầu 7 1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ 8 1.2 Mã trải phổ 9 1.1.1 Các m Walshã 10 1.1.2 Các m PNã 11 1.3 Nguyên lý đa truy nhập trải phổ chuỗi trực tiếp13 1.1.3 Những thuận lợi của DS-SS trong thông tin di động 16 1.1.4 ảnh hởng của đờng truyền tới hệ thống CDMA17 1.1.4.1Phân tích đờng truyền sóng 17 1.1.4.2Hiện tợng che tối 20 1.1.4.3Fading Rayleigh đa đờng 21 1.1.4.4Trễ đa đờng 23 1.1.5 Các phơng pháp m hóaã 25 1.1.5.1Mã hóa nguồn 26 1.1.5.2Mã hóa kênh 29 1.1.5.3ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS 34 1.1.5.4ứng dụng mã PN vào kênh truyền trong DS-SS 36 1.4 Cấu hình hệ thống thông tin di động CDMA 40 Chơng II. Dung lợng và đờng truyền CDMA 41 2.1 Dung lợng của hệ thống CDMA 41 2.1.1 Dung lợng của một cell đơn 41 2.1.2 Hiệu ứng của tải 42 2.1.3 Hiệu ứng sector hóa 44 2.1.4 Hiệu ứng của hệ số tích cực thoại 46 2.1.5 Kết luận 46 2.2 Đờng truyền trong CDMA 47 2.2.1 Đờng truyền bất đối xứng 47 2.2.2 Đờng xuống 47 2.2.2.1Kênh Pilot 47 2.2.2.2Kênh đồng bộ 48 2.2.2.3Kênh tìm gọi 50 2.2.2.4Kênh lu lợng 54 2.2.2.5Bộ điều chế 56 2.2.3 Đờng lên 57 2.2.3.1Kênh truy nhập 57 3 2.2.3.2Kênh lu lợng 60 2.3 ảnh hởng của nhiễu tới kênh truyền cDMA 61 2.3.1 Kênh pilot 61 2.3.2 Kênh lu lợng đờng xuống 63 2.3.3 Kênh lu lợng đờng lên 64 Chơng III. mạng WLL CDMA 20001x 65 3.1 Cấu hình mạng 65 3.2 Các yêu cầu hệ thống 68 Kết luận 76 Danh mục tài liệu tham khảo 76 4 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt MSC Mobile Switching center Trung tâm chuyển mạch di động BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Convolutional Code Mã xoắn Data Burst Randomizer Ngẫu nhiên hóa cụm số liệu DL Downlink Đờng xuống Eb Năng lợng bít thông tin ERP Effective Radiated Power Công suất phát xạ hiệu dụng IMT- 2000 International Mobile Telecommunications Các tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu 2000 IS95 CDMA 95 Interim Standard 95 Chuẩn thông tin di động CDMA của Mỹ (do Qualcom đề xuất) Long Code PN Chuỗi PN mã dài chu kỳ 2 42 1 MS Mobile Station Máy di động DS-SS Direct Squence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp 5 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ 6 Mở đầu Trong những năm gần đây, thông tin di động đã và đang đợc triển khai với các công nghệ khác nhau ở nhiều quốc gia, mạng viễn thông ngày càng trở nên phức tạp có xu hớng hội tụ nhiều công nghệ dịch vụ mới, đem lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác và lợi ích cho ngời tiêu dùng, thúc đẩy các ngành kinh tế khác cùng phát triển. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng cao, mạng thông tin di động mới ra đời phải có nhiều u điểm nổi bật và không ngừng đợc cải tiến về kĩ thuật. Yếu tố mà ngời sử dụng di động quan tâm là vùng phủ sóng và chất lợng mạng. Hiện nay hai mạng Vinaphone và Mobilphone đang sử dụng công nghệ GSM 2.5 vẫn cha đáp ứng đợc hai yêu cầu này. Số lợng thuê bao di động tăng trởng quá nhanh trong những năm qua đã vợt quá khả năng phục vụ của hai mạng này, gây ra nghẽn mạch thờng xuyên, chất lợng cuộc gọi kém. Với dân số hơn 80 triệu dân, tỉ lệ sử dụng di động hiện nay còn thấp, thì nhu cầu sử dụng di động còn tăng trong một những năm tới. Mạng di động mới ra đời vào thời điểm này là thích hợp. Việc ứng dụng công nghệ CDMA đang đợc nhiều nớc quan tâm vì khả năng chống nhiễu, bảo mật và dung lợng cũng nh chất lợng mạng tốt hơn nhiều so với công nghệ GSM. Điều này sẽ thu hút nhiều ngời sử dụng đem lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác mặt khác ngời tiêu dùng có nhiều khả năng lựa chọn dịch vụ di động thích hợp cho bản thân, phá vỡ sự độc quyền tạo ra sự cạnh tranh lành mạnh giữa các doanh nghiệp kinh doanh thông tin di động. Việc nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz là một vấn đề cấp thiết trong thời đại bùng nổ thông tin ngày nay. Thực tế đã chứng minh sự thành công của mạng di động sử dụng công nghệ CDMA ở Hàn Quốc, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, và xu h ớng này đã trở thành hớng phát triển mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo 3, 4. 7 Chơng I. Tổng quan về kĩ thuật trải phổ và Công nghệ CDMA 1.1 Khái niệm về tín hiệu trải phổ Kĩ thuật trải phổ sử dụng một băng tần truyền dẫn có độ rộng lớn hơn nhiều lần băng tần cần thiết cho việc truyền dữ liệu. Mục đích chống nhiễu cao, và bảo mật thông tin qua việc trải phổ tín hiệu nhằm làm cho nó không thể phân biệt đợc từ nền nhiễu, giảm đợc mật độ năng lợng. Kí hiệu ss là độ rộng phổ tần trải phổ (Hz) và d là độ rộng phổ tần nén phổ (tốc độ dữ liệu (bít/second)) thì tỉ số ss / d đợc gọi là hệ số trải phổ hoặc tăng ích xử lý, hệ số trải phổ này có giá trị từ 100 đến 1000000 tức là từ 20 dB đến 60dB. Hình 1. Băng tần trải phổ ở phía thu và phát Có 3 tiêu chuẩn bắt buộc đối với hệ thống trải phổ: Có bề rộng phổ lớn hơn nhiều so với bề rộng phổ cần thiết để truyền tín hiệu. Việc mở rộng phổ dựa vào tín hiệu đặc biệt gọi là mã trải phổ, hoàn toàn độc lập với dữ liệu. Phía thu dựa vào bản sao của mã trải phổ để nén phổ trở lại nh phổ ban đầu. Bản chất của mã trải phổ: đó là một dãy bít ngẫu nhiên tuần hoàn có chu kì tơng đối lớn và thỏa mãn các tiêu chẩn ngẫu nhiên. Với đối tác thì hoàn toàn xác định còn đối với bên ngoài thì thâm nhập vào dãy ở một thời điểm nào đó là hoàn toàn ngẫu nhiên vì vậy mà gọi dãy mã này là giả ngẫu nhiên (pseudo-random, giả tạp âm: PN- pseudo- noise). Do những đặc điểm trên mà hệ thống trải phổ có 4 u điểm chính: Chống nhiễu phá: nhiễu thâm nhập vào tín hiệu có ích, bị trải phổ trong bớc nén phổ có ích, làm mật độ năng lợng nhiễu giảm mạnh tỉ lệ với hệ số trải phổ. Giảm mật độ năng lợng của tín hiệu phát theo độ tăng ích xử lý Khả năng bị thu trộm thấp khi hệ số trải phổ tăng. Mở ra phơng thức phân đờng mới (theo mã) cho phép nhiều ngời sử dụng đồng thời dùng chung một băng tần và ở trong cùng một vùng địa lý, tỉ lệ với hệ số trải phổ. Nhiễu phá (Jamming) Tín hiệu có ích ss Phía phát Tín hiệu có ích Nhiễu phá ss Phía thu d 8 Để đánh giá ảnh hởng của tạp âm đến chất lợng của một hệ thống thông tin ngời ta th- ờng sử dụng hai tham số: tỉ số tín/tạp âm (S/N) và xác xuất lỗi (PE). Nâng cao tỉ số S/N với một mức tạp âm cho trớc có thể thực hiện bằng 3 cách sau: Tăng công suất tín hiệu: cách này bị hạn chế bởi ảnh hởng đến hệ thống thông tin khác, đồng thời nó còn khả năng kĩ thuật, công nghệ chế tạo thiết bị không cho phép công suất lớn. Tăng độ dài tín hiệu: nghĩa là kéo dài thời gian làm việc của hệ thống. Nhng biện pháp này gây ra sự suy giảm tốc độ truyền tín hiệu. Trải rộng phổ tín hiệu nhằm triệt nhiễu: ở đầu phát sử dụng mã trải phổ có độ rộng băng lớn điều chế với thông tin cần truyền đi, vì thế tín hiệu sau điều chế có độ rộng băng thông đợc trải rộng ra xấp xỉ bằng băng thông của mã trải phổ. ở đầu thu, ngoài tín hiệu trải phổ thu đợc còn có các tín hiệu không mong muốn gọi chung là nhiễu. Tại đầu thu thực hiện nén phổ đối với tín hiệu cần thu, còn đối với các tín hiệu khác thì đó là quá trình trải phổ. Do đó sau khi giải điều chế thì mật độ phổ tín hiệu cần thu sẽ tăng cao, còn mật độ phổ của nhiễu bị giảm nhiều do bị trải phổ, sử dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu lấy tín hiệu hữu ích. 1.2 Mã trải phổ Theo cách truyền thống, tín hiệu đa truy nhập đợc phân chia theo thời gian (TDMA) hoặc đợc phân chia theo tần số (FDMA) thì thực hiện tơng đối đơn giản để đảm bảo các tín hiệu là trực giao và không gây nhiễu. Nhng trong đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), tín hiệu của nhiều ngời dùng chiếm cùng băng thông ở cùng thời gian nhng đợc phân biệt bằng các chuỗi mã trực giao. Hai dạng sóng có giá trị thực x và y đợc gọi là trực giao nếu tơng quan chéo của chúng R xy (0) trong khoảng T bằng 0, nghĩa là: Trong miền rời rạc, hai chuỗi x và y là trực giao nếu tích chéo (Cross product) R xy (0)=0 nghĩa là: R xy (0) = X T Y= x i y i Với X T =[x 1 , x 2 , .x I ] Y T = [y 1 , y 2 , .y I ] Ví dụ ta xét hai chuỗi Hai chuỗi này là trực giao bởi vì tơng quan chéo của nó bằng 0: Để một bộ mã đợc sử dụng trong sơ đồ đa truy nhập thì chúng cần có thêm hai thuộc tính nữa đó là: mỗi mã trong bộ mã trực giao cần có một số bít 1 và bít -1 tơng đồng, đây là thuộc tính tự nhiên của mã giả ngẫu nhiên, và tích điểm của mỗi mã (dot product) bằng 1 ( tích điểm là trung bình tổng của tích chính mỗi phần tử tơng ứng/ bậc của mã) 9 Xét hai mã trực giao x và y ở trên ta thấy cả x và y đều có số bít 1 và -1 bằng nhau và các tích điểm là: (X T X)/4= (-1)(-1)+ (-1)(-1)+ (1)(1)+ (1)(1)=4/4=1 (Y T Y)/4= (-1)(-1)+ (-1)(-1)+ (1)(1)+ (1)(1)=4/4=1 Tóm lại các thuộc tính của bộ mã trực giao đợc sử dụng trong đa truy nhập trải phổ là: Tơng quan chéo bằng 0 hoặc rất nhỏ (thể hiện tính trực giao) Mỗi chuỗi trong bộ mã có tổng số bít 1 và -1 bằng nhau hoặc khác nhau nhiều nhất là một đơn vị Tích điểm của mỗi mã bằng 1 1.1.1 Các mã Walsh Mã Walsh đợc sử dụng để phân biệt cho những ngời dùng khác nhau sử dụng chung băng tần RF ở đờng xuống. Mã Walsh đợc sử dụng trong IS95 CDMA là một bộ chuỗi mã trực giao 64. Chuỗi Walsh đợc tạo bởi ma trận Hadamard. Dùng tính chất đệ quy để tạo ra các ma trận Hadamard lớn từ các ma trận Hadamard bé hơn: Với là ma trận nghịch đảo của H N . Ma trận gốc là: Để tạo ra một bộ 4 chuỗi Walsh trực giao w 0 , w 1 , w 2 , w 3 chúng ta chỉ cần tạo một ma trận Hadamard bậc 4 là: Bốn chuỗi trực giao trong bộ mã Walsh này đợc lấy ra từ 4 hàng của ma trận H 4 đó là: Các mã này đều thỏa mãn 3 điều kiện cần thiết đã nêu. Bằng việc thay đổi các số 0 thành 1 trong bốn chuỗi trên ta có: 10 [...]... tầng mạng 17 Sự thuận lợi thứ hai đối với CDMA là các kênh vật lý RF có thể đợc sử dụng lại ở mọi cell, vì vậy hệ số sử dụng lại tần số gần bằng 1 Trong một hệ thống AMPS thông thờng, phổ tần sẵn có đợc chia thành các khoanh (chunks) và đợc ấn định cho các cell khác nhau Những tần số đồng kênh không đợc sử dụng cho các cell lân cận để tránh giao thoa Mẫu sử dụng tần số chẳng hạn N=7 nghĩa là phổ tần. .. N=7 nghĩa là phổ tần đợc chia làm 7 khoanh và ấn định cho 7 cell khác nhau Khoanh có tần số tơng tự đợc tái sử dụng ở một cell khác có khoảng cách nhất định để tránh giao thoa Do vậy, số kênh/cell bị giảm đi do hệ số sử dụng lại tần số Việc sử dụng lại tần số đợc tăng nên nếu dùng biện pháp sector hóa Ngợc lại trong CDMA, các kênh vật lý giống nhau đợc sử dụng ở mọi cell, nhng cũng gây ra nhiễu đồng... băng tần phát (Hz) Tỉ số C/I Thông số C/I tơng tự nh C/N nhng ở đây nó là tỉ số sóng mang/ nhiễu, nó chỉ khác ở phần mẫu số, giá trị I không chỉ có công suất tạp âm nhiệt mà còn có công suất nhiễu từ các nguồn khác nhau Trong thông tin di động tỉ số C/ I đợc sử dụng phổ biến hơn bởi nó cho biết cả ảnh hởng của nhiễu đợc tính vào Từ công thức (2.1) ta thấy, chất lợng truyền dẫn phụ thuộc vào các thông số: ... thanh) và giá trị hệ số lọc trên 20ms Các tham số kích thích và các hệ số lọc là các đầu ra của bộ mã hóa tiếng nói Trong hệ thống IS 95 CDMA các tham số và hệ số để xây dựng các nguồn kích thích và bộ lọc tổng hợp Kết quả đợc ớc lợng tiếng nói ở đầu ra của bộ giải mã thoại Bộ mã hóa dự đoán tuyến tính (LPC) đợc sử dụng rộng rãi để đánh giá các hệ số lọc Một vòng hồi tiếp trong bộ mã hóa đợc sử dụng. .. logic số đợc sử dụng để giải mã Kiểm tra d vòng (CRC) IS95 CDMA sử dụng mã khối để biểu thị chất lợng của khung phát ( gồm một khối các bít thông tin) IS95 CDMA sử dụng kiểm tra d vòng (CRC) là một trong các mã khối phổ biến nhất Đối với CRC, các bít thông tin đợc xem nh một số nhị phân dài Số nhị phân dài này đợc chia cho một số duy nhất nguyên thủy cũng là số nhị phân và số d (là các bít d) đợc thêm vào... mã và khoảng cách Hamming giữa từ mã thu đợc so với mọi từ mã khác lớn hơn t thì thì bộ giải mã hoàn toàn có thể sửa lỗi đợc (nếu từ mã gần nhất đối với từ mã thu đợc đợc truyền thực sự) Nói cách khác d* 2t+1 nghĩa là mã này có khả năng sửa đợc t lỗi Khả năng phát hiện lỗi q của một từ mã là d* q+1 áp dụng vào khoảng cách tối thiểu d* =3 của mã Hamming (7,4) thì khả năng sử lỗi là t=1 và khả năng. .. nh sau: K1=69,55 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz K1=69,55 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz K2=26,16 cho phạm vi tần số 150MHz f 1.000 MHz K2=33,9 cho phạm vi tần số 1.500MHz f 2.000 MHz f là tần số sóng mang tính theo MHz hb là độ cao anten BS tính bằng mét hm là độ cao của MS tính bằng mét d là khoảng cách tính theo Km từ BS đến MS Các tham số này chỉ áp dụng cho: hb có giá trị từ 30... ra và do các cell lân cận gây ra ở đờng lên (từ MS lên BS), mỗi cell bị nhiễu bởi các MS trong cell đó và các MS ở cell lân cận Thật khó để phân tích đánh giá lợng nhiễu đồng kênh xảy ra trong CDMA vì nhiễu phụ thuộc vào các yếu tố nh sự phân bố và số lợng các MS và địa hình Tuy nhiên, không cần phải quy hoạch tần số trong CDMA là một thuận lợi trong tính toán thiết kế RF Điều thuận lợi thứ 3 đó là khả. .. truyền thì các bản tin m 1(t) và m 2(t) sẽ tơng ứng với các bản tin m1(t) và m2(t) Giả sử bản tin m1 là (+1 1 +1) và m2 là (+1 +1 1) Hình 1.4 mô tả dạng sóng và phổ của hai bản tin m1(t) và m2(t), hai mã trực giao c1(t) và c2(t) và hai bản tin đợc trải phổ m1(t)c1(t) và m2(t)c2(t).Từ hình vẽ cho thấy sự khác biệt giữa Tb và Tc (Tb là chu kỳ bít (tính theo giây) của bản tin và Tc là chu kỳ của một chíp... xuống sử dụng các mã Walsh còn đờng lên sử dụng các mã giả tạp âm (PN) để mã hóa kênh 1.1.5.3 ứng dụng mã Walsh vào kênh truyền trong DS-SS Giả sử có 3 ngời sử dụng khác nhau mỗi ngời sử dụng muốn gửi các bản tin riêng các bản tin này lần lợt là: Mỗi ngời sử dụng này đợc ấn định một mã tơng ứng: 35 Mỗi bản tin đợc trải phổ bằng mã walsh tơng ứng Tốc độ chíp của mã gấp 4 lần tốc độ bít bản tin ( hệ số xử . 1 nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz Information Mục lục Danh mục các ký. nghiệp kinh doanh thông tin di động. Việc nghiên cứu công nghệ và khả năng ứng dụng mạng WLL CDMA tần số 450MHz là một vấn đề cấp thiết trong thời đại