ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐH KHTN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG o0o Đồ Án Môn Học Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào GVGD Thầy Trương Tấn Quang SVTH Nguyễn Văn Liêm 0620031 Nguyễn Kim Long 0620034 Ngu[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐH KHTN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG o0o - Đồ Án Môn Học Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào GVGD : Thầy Trương Tấn Quang SVTH: Nguyễn Văn Liêm 0620031 Nguyễn Kim Long 0620034 Nguyễn Thanh Tú 0620111 Nguyễn Hữu Phước 0620055 Học kì Năm học 2009-2010 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Thời đại vô tuyến cách 100 năm với phát minh máy điện báo radio Gudlielmo Marconi công nghệ không dây thiết lập với phát triển nhanh chóng đưa vào kỷ kỷ nguyên Sự tiến nhanh chóng kỹ thuật vô tuyến tạo nhiều dịch vụ cải tiến với giá thấp hơn, dẫn đến gia tăng việc sử dụng khoảng không gian thời gian số lượng thuê bao Các xu hướng tiếp tục tăng năm tới Mục tiêu hệ thống thông tin hệ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thơng tin cho người vào lúc, nơi Các dịch vụ cung cấp cho thuê bao điện thoại di động hệ truyền liệu tốc độ cao, video multimeadia dịch vụ thoại Công nghệ thoả mãn yêu cầu làm cho dịch vụ sử dụng rộng rãi gọi hệ thống di động hệ thứ (3G) Hệ thống hệ thứ đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt tiêu chuẩn hệ có, loại hình ứng dụng dung lượng Hệ thống di động số thiết kế tối ưu cho thơng tin thoại, hệ thống 3G trọng đến khả truyền thông đa phương tiện Hệ thống 3G điển hình cdma2000 WCDMA WCDMA phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số 1, nên số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống Vì mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng nhiễu Các kỹ thuật gọi kỹ thuật phân tập tín hiệu Trong đồ án tìm hiểu kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng nhiễu giao thoa nhiễu fading lên tín hiệu thơng qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu nhiễu đầu mảng anten Nội dung đồ án gồm chương : - Chương 1:Trình bày ưu nhược điểm hệ thống WCDMA hướng giải cho nhược điểm - Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian Phân tập anten thu Beamformer-Rake - Chương 3: Trình bày kỹ thuật xử lý phân tập không gian thu Beamformer Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR MMSE MỤC LỤC Chương 1: Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA Giới thiệu chung 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 1.4 Lộ trình phát triển hệ thống di động hệ (GSM) lên (WCDMA) .7 1.5 Tổng quan mạng WCDMA 1.5.1 Các thơng số mạng WCDMA 10 1.5.2 Những đặc điểm then chốt mạng WCDMA 11 1.5.3 Ảnh hưởng nhiễu hệ thống WCDMA 11 1.5.4 Tính đa dạng phân tập hệ thống WCDMA 12 Kết luận chương 14 Chương 2: Khái Niệm Phân Tập Không Gian-Thời Gian 15 2.1 Giới thiệu 15 2.2 Anten Mảng .15 2.2.1 Mảng Anten dãy 16 2.3 Kỹ thuật Beamformer 18 2.3.1 Ví dụ đơn giản Beamformer mảng ULA 19 2.4 Nguyên tắc lấy mẫu xử lý không gian 21 2.5 Lợi ích phân tập không gian 22 2.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake CDMA 22 2.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu 23 2.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC) 23 2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC) .24 2.6.1.3 Bộ tổ hợp độ lợi (EGC) .24 2.7 Bộ thu Beamformer_Rake .24 Kết luận chương 25 Chương 3: Các Kỹ Thuật Beamforming 26 3.1 Giới Thiệu .26 3.2 MSNR Beamforming .26 3.2.1 Kỹ Thuật MSNR 26 3.2.2 Phương Thức cải tiến SE cho Beamforming 28 3.2.3 Pha Tín Hiệu Trong Eigen-Beamforming .29 3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 30 3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu(SINR) 31 3.3.2 Xác định giá trị cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (MSINR) .32 3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 33 3.5 So sánh kỹ thuật MSINR MMSE trường hợp đơn giản 34 Kết luận chương 36 CHƯƠNG HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA Giới thiệu chung Trong năm gần đây, công nghệ không dây chủ đề nhiều chuyên gia quan tâm lĩnh vực máy tính truyền thơng Trong thời gian công nghệ nhiều người sử dụng trải qua nhiều thay đổi Quá trình thay đổi thể qua hệ: Thế hệ không dây thứ hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Thế hệ thứ sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) phân chia theo mã (CDMA) Thế hệ thứ đời đánh giá nhãy vọt nhanh chóng dung lượng ứng dụng so với hệ trước đó, có khả cung cấp dịch vụ đa phơng tiện gói 1.1 Hệ thống thơng tin di động hệ Hệ thống thông tin di động hệ hổ trợ dịch vụ thoại tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang liệu thoại người, sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàng cấp phát kênh tập hợp có trật tự kênh lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệu hệ thống FDMA phức tạp, MS bật nguồn để hoạt động dị sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho Nhờ kênh này, MS nhận liệu báo hiệu gồm lệnh kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều số lượng kênh tần số có thể, số người bị chặn lại không truy cập Phổ tần số quy định cho liên lạc di động chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách dải tần số phòng vệ Mỗi dải tần số gán cho kênh liên lạc N dải dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau dải tần phân cách N dải dành riêng cho liên lạc hướng xuống Đặc điểm : - Mỗi MS cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến - Nhiễu giao thoa kênh lân cận đáng kể - BTS phải có thu phát riêng làm việc với MS Hệ thống FDMA điển hình hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hệ thống di động sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày tăng người dùng dung lượng tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ đời cải thiện dung lượng tốc độ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ Với phát triển nhanh chóng th bao, hệ thống thơng tin di động hệ đưa để đáp ứng kịp thời số lượng lớn thuê bao di động dựa công nghệ số Tất hệ thống thông tin di động hệ sử dụng phương pháp điều chế số sử dụng phương pháp đa truy cập : - Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA - Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: Phổ quy định cho liên lạc di động chia thành dải tần liên lạc, dải tần liên lạc dùng cho N kênh liên lạc, kênh liên lạc khe thời gian chu kì khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, thuê bao cấp phát cho khe thời gian cấu trúc khung Đặc điểm: - Tín hiệu thuê bao truyền dẫn số - Liên lạc song công hướng thuộc dải tần liên lạc khác nhau, băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần số cho phép máy thu máy phát hoạt động lúc mà khơng có can nhiễu lẩn - Giảm số máy thu BTS - Giảm nhiểu giao thoa Hệ thống TDMA điển hình hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động kỹ thuật số TDMA phức tạp FDMA Hệ thống xử lý số tín hiệu MS tương tự có khả xử lý không 10 lệnh giây, cịn MS số TDMA phải có khả xử lý 50.106 lệnh giây Đa truy cập phân chia theo mã CDMA: Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng chiếm kênh vơ tuyến đồng thời tiến hành gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn Những người sử dụng nói phân biệt với nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, cấp phát khác cho người sử dụng Đặc điểm Dải tần tín hiệu rộng - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ trường nhỏ chống fading hiệu TDMA FDMA Việc thuê bao cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực linh hoạt 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 3: Để đáp ứng kịp thời dịch vụ ngày phong phú đa dạng người sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa hệ thống thông tin di động tổ ong hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ với tên gọi ITM-2000 đưa muc tiêu sau: - Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo dịch vụ băng rộng truy cập Internet nhanh dịch vụ đa phương tiện Linh hoạt để đảm bảo dịch vụ đánh số cá nhân điện thoại vệ tinh Các tính cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng hệ thống thơng tin di động - Tương thích với hệ thống thơng tin di động có để đảm bảo phát triển liên tục thông tin di động 3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm 128 Kbps cho người dùng moto Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz khơng phải sóng mang 200KHz CDMA nên 3G nhanh nhiều so với công nghệ 2G 2,5G Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ ITM-2000 đề xuất, hệ thống WCDMA cdma-2000 ITU chấp thuận áp dụng năm gần Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, điều cho phép thực tiêu chuẩn toàn giới cho giao diện thông tin vô tuyến 1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thơng tin di động hệ (GSM) lên WCDMA Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên Để đảm bảo ứng dụng dịch vụ 3G truyền thơng máy tính hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thơng tin di động hệ chuyển đổi sang hệ Q trình tổng qt hình 1.1 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA sau: GSM HSCSD GPRS WCDMA Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA Ký hiệu: GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di động toàn cầu HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vơ tuyến chung WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng 1.5 Tổng quan mạng WCDMA WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) hệ thống thông tin di động hệ 3, sử dụng công nghệ CDMA Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã), công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ để phân tần tín hiệu vơ tuyến dãi tần số rộng Trong công nghệ CDMA, nhiều người sử dụng chung thời gian tần số Mã PN (giả ngẫu nhiên) với tương quan chéo thấp, ấn định cho người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN ấn định Đầu thu tạo dãy PN đầu phát khơi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược tín hiệu đồng thu Cũng giống TDMA, WCDMA nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động Nó biết giao diện vơ tuyến hay công nghệ đa truy xuất WCDMA giao diện vô tuyến phức tạp tiên tiến lĩnh vực thơng tin di động WCDMA có chế độ khác FDD TDD Khả làm việc hai chế độ FDD TDD cho phép sử dụng hiệu phổ tần cấp phát vùng khác FDD (Frequency Division Duplex): phương pháp ghép song cơng truyền dẫn đường lên đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt Ở FDD đường lên đường xuống sử dụng hai băng tần khác Hệ thống phân bố cặp băng tần riêng biệt TDD (Time Division Duplex): phương pháp ghép song công đường lên đường xuống thực tần số cách sử dụng khe thời gian luân phiên Ở TDD khe thời gian kênh vật lý chia thành hai phần : phần phát phần thu Thông tin đường xuống đường lên truyền dẫn luân phiên 1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz) TDD RX/TX FDD Uplink TDD FDD RX/TX Downlink t t 5MHz 5MHz Đường xuống Khoảng Bảo vệ Đường lên Đường xuống Đường lên FDD f TDD f Hình 1.3 Phân bố tần số FDD TDD Khả làm việc hai chế độ FDD TDD cho phép sử dụng hiệu phổ tần cấp phát vùng khác Ba thông số mạng WCDMA: Lớp truy nhập: tạo trạm gốc (node B) điều khiển mạng vô tuyến khác để phân tích điều khiển lưu lượng vơ tuyến Mạng lõi có hai vai trị : Giải việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà gọi số liệu gửi đến Phương tiện sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thông tin qua số máy chủ khác xung quanh mạng Là mạng đường trục giải chức kỹ thuật, khả truy nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp giao diện với Internet phân loại thơng tin tính cước bảo mật Lớp dịch vụ điều khiển ưu tiên, đặc tính khả truy nhập thuê bao tới dịch vụ nâng cao làm cho 3G có vị trí tuyệt vời 1.5.1 Các thơng số W-CDMA WCDMA phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa bit thông tin user trải dải thông rộng việc nhân liệu user với mã ngẫu nhiên (gọi chip) nhận trải phổ WCDMA Tốc độ chip 3.84Mcps sử dụng cho ghép dải thơng sóng mang xấp xỉ tới 5MHz Dải thơng sóng mang WCDMA rộng gắn liền với tốc độ liệu uesr cao cịn có hiệu nâng cao khả phân tập tần số Các nhà quản lý mạng tăng dung lượng nhờ dải thơng sóng mang 5MHz Khoảng cách sóng mang chọn khoảng 200KHz khoảng 4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu sóng mang WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho user cao, hiểu theo cách khác dải thơng theo u cầu cung cấp Mỗi user cung cấp khung giây có chu kỳ 10ms tốc độ liệu giữ nguyên không đổi Tuy nhiên dung lượng liệu thay đổi từ khung đến khung khác WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động FDD TDD Trong FDD khoảng tần số sóng mang 5MHz sử dụng cho sóng mang hướng lên hướng xuống riêng rẽ, TDD có khoảng 5MHz dùng cho hướng lên hướng xuống WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng cho trạm gốc khơng giống hệ thống đồng IS-95 CDMA, khơng cần thời gian chuẩn tồn cầu GPS WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên hướng xuống nhờ ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng vùng phủ sóng WCDMA thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM chuyển giao mạng GSM mạng WCDMA Phương thức đa truy xuất DS-CDMA Phương pháp ghép song công FDD/TDD Đồng trạm gốc Hoạt động bất đồng Tốc độ chip 3.84Mcps Độ dài khung 10ms Ghép dịch vụ Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác ghép kết nối Đa tốc độ Hệ số trải phổ khả biến đa mã Tách sóng Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa tiêu 1.5.2 Những đặc điểm then chốt WCDMA Giao diện vô tuyến sở CDMA băng rộng tạo hội thiết kế hệ thống có đặc tính đáp ứng nhu cầu hệ thứ Những đặc điểm chủ yếu hệ thống WCDMA : 10 ... Công nghệ thoả mãn yêu cầu làm cho dịch vụ sử dụng rộng rãi gọi hệ thống di động hệ thứ (3G) Hệ thống hệ thứ đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt tiêu chuẩn hệ có, loại hình ứng dụng dung lượng Hệ thống. .. Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA Giới thiệu chung 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ ... tin thoại, hệ thống 3G trọng đến khả truyền thông đa phương tiện Hệ thống 3G điển hình cdma2000 WCDMA WCDMA phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái