Công nghệ cdma ứng dụng trong thông tin di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI Đề tài : CÔNG NGHỆ CDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG GVHD HVTH LỚP NGÀNH TP.Hồ Chí Minh - Năm 2006 : TS.Võ Xuân Tựu : Trần Quang Thắng : Cao học – K.11 : Kỹ thuật Điện tử MỤC LỤC ***** MỞ ĐẦU Chương I : KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 1.1 Tổng quan ……………………………………………………………………………… 01 1.2 Tính chất nguyên lý trải phổ ………………………………………………………… 01 1.3 Chuỗi PN ……………………………………………………………………………… 02 1.3.1 Chức ……………………………………………………………… 02 1.3.2 Các tín hiệu xác định ……………………………………………………………03 1.3.3 Các chuỗi tín hiệu số băng gốc …………………………………………… 05 1.3.4 Chuỗi –m ……………………………………………………………………… 08 1.3.5 Đặc tính chuỗi – m …………………………………………………………… 12 1.3.6 Chuỗi Gold …………………………………………………………………… 14 1.4 Mã Walsh …………………… ……………………………………………………… 16 1.5 Các kỹ thuật trải phổ …………………………………………………………………… 17 1.5.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp ……………………………………………………… 19 1.5.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần …………………………………………………… 25 1.5.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian ……………………………………………… 31 1.6 So sánh kỹ thuật trải phổ …………………………………………………………… 32 1.7 Ưu điểm hệ thống trải phổ ………………………………………………………… 33 Chương II : CÔNG NGHỆ CDMA 2.1 Các kỹ thuật truy nhập thông tin di động ………………………………………… 40 2.2 Đa truy nhập phân chia theo mã ……………………………………………………… 43 2.3 Đồng mã CDMA …………… ……………………………………………… 46 2.3.1 Quá trình bắt mã ……………………………………………………………… 48 2.3.2 Quá trình bám mã ……………………………………………………………… 50 2.4 Điều khiển công suất CDMA …………………………………………………… 53 2.4.1 Hiệu ứng gần xa ……………………………………………………………… 53 2.4.2 Các tiêu điều khiển công suất ……………………………………………… 53 2.4.3 Các phương pháp điều khiển công suất hệ thống thông tin tổ ong ………… 53 2.4.4 Các phương pháp điều khiển công suất IS-95 ……………………………… 57 2.5 Chuyển giao CDMA ……………………………………………………………… 62 2.5.1 Các khái niệm chung ……………………………………………………………62 2.5.2 Các thủ tục chuyển giao IS-95……………………………………………… 63 2.6 Dung lượng CDMA ……………………………………………………………… 71 2.6.1 Hiệu suất sử dụng phổ tần ……………………………………………………… 71 2.6.2 Dung lượng hệ thống FDMA TDMA ……………………………… 71 2.6.3 Dung lượng đường xuống ………………………………………………………73 2.6.4 Dung lượng đường lên ………………………………………………………….79 2.6.5 So sánh dung lượng hệ thống FDMA, TDMA CDMA ………………… 80 Chương III : TIÊU CHUẨN IS-95 3.1 Mở đầu ………………………………………………………………………………… 3.2 Các kênh vật lý ………………………………………………………………………… 3.3 Các kênh logic ………………………………………………………………………… 3.4 Kết luận ………………………………………………………………………………… 83 83 83 92 Chương IV : TIÊU CHUẨN CDMA 2000 4.1 IMT-2000 ……………………………………………………………………………… 93 4.2 CDMA 2000 …………………………………………………………………………… 100 4.2.1 CDMA 2000 1X-EV-DO ……………………………………………………… 101 4.2.2 CDMA 2000 1X-EV-DV ……………………………………………………… 101 4.2.3 CDMA 2000 3X ……………………………………………………………… 102 4.3 Cấu trúc CDMA 2000 ………………………………………………………………… 102 4.3.1 Cấu trúc hệ thống …………………………………………………………… 102 4.3.2 Các phần tử ……………………………………………………………… 106 4.4 Cấu trúc phân lớp ……………………………………………………………………… 109 4.3.1 Các lớp cao …………………………………………………………………… 110 4.3.2 Các lớp …………………………………………………………………… 110 4.3.3 Lớp vật lý ……………………………………………………………………… 114 4.5 Các kênh giao diện vô tuyến …………………………………………………… 115 4.5.1 Các quy ước ký hiệu …………………………………………………………… 115 4.5.2 Ghép kênh logic lên kênh vật lý ……………………………………………… 117 4.5.3 Các kênh vật lý đường xuống ………………………………………………… 118 4.5.4 Các kênh vật lý đường lên …………………………………………………… 131 4.6 Quản lý nguồn lực vô tuyến …………………………………………………………… 139 KẾT LUẬN ………………………………………………………………………….…… 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… …… 145 MỞ ĐẦU Trong trình phát triển với mục tiêu cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước, việc phát triển hệ thống viễn thông quan tâm Đảng nhà nước ta Hệ thống viễn thơng Việt Nam nói riêng giới nói chung ngày phát triển mạnh số lượng, dịch vụ cơng nghệ, không đáp ứng dịch vụ điện thoại truyền thống thơng thường mà cịn phục vụ nhiều dịch vụ khác truyền số liệu, hình ảnh, đa dịch vụ, đa phững tiện, tính linh hoạt phạm vi hoạt động như: cố định, di động Để đáp ứng điều này, mạng viễn thông phải xây dựng tảng ba yếu tố bản, là: – Hệ thống chuyển mạch: Đây hệ thống điều khiển thông minh, dung lượng lớn nhằm cung cấp dịch vụ viễn thông cho người sử dụng – Hệ thống truyền dẫn: Hệ thống nhằm trao đổi (vận chuyển) thông tin qua lại hệ thống chuyển mạch với tốc độ cao, xác khả lỗi thấp – Mạng truy nhập thuê bao: Toàn thiết bị đường truyền để cung cấp dịch vụ viễn thông từ trung tâm cung cấp dịch vụ đến thuê bao sử dụng Trong đó, mạng truy nhập th bao đóng vai trị quan trọng Truy nhập thuê bao hữu tuyến (cáp đồng, cáp quang) vơ tuyến (sóng điện từ, viba) Truy nhập hữu tuyến dùng cho thuê bao cố định, có dung lượng truyền tải thơng tin lớn để lắp đặt phải đầu tư cho hạ tầng mạng lớn Truy nhập vô tuyến dùng cho thuê bao di động thuê bao vô tuyến cố định, dung lượng truyền tải thông tin thấp hơn, linh hoạt phạm vi hoạt động triển khai lắp đặt thuê bao nhanh đầu tư nhiều cho hạ tầng mạng, đặc biệt điều kiện địa hình phức tạp (đồi núi, sơng hồ, hải đảo…) Truy nhập vô tuyến sử dụng công nghệ: FDMA (truy nhập phân kênh theo tần số), TDMA (truy nhập phân kênh theo thời gian) CDMA (truy nhập phân kênh theo mã) Công nghệ FDMA sử dụng thời kỳ đầu, sử dụng Công nghệ TDMA sử dụng phổ biến cho hệ thống thông tin di động vô tuyến cố định Công nghệ CDMA nghiên cứu triển khai số quốc gia Cơng nghệ CDMA có nhiều ưu điểm cơng nghệ FDMA TDMA dung lượng lớn, chống fading đa đường, chống nhiễu gần xa, tái sử dụng tần số để tránh can nhiễu lẫn nhau, khả bảo mật cao … Hiện công nghệ CDMA bắt đầu ứng dụng nhiều mạng viễn thông Việt Nam nhằm đưa hệ thống thông tin di động tiến lên 3G 4G sau Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp cao học, với mong muốn đề cập đến vấn đề Kỹ thuật trải phổ, công nghệ CDMA ứng dụng thông tin di động tiêu chuẩn CDMA2000 Tuy nhiên công nghệ phức tạp, thời gian nghiên cứu có hạn khả thân nên luận văn tránh khỏi sai sót Vì mong nhận đóng góp phê bình thầy giáo, cô giáo độc giả quan tâm Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến sĩ Võ Xuân Tựu tận tình hướng dẫn trình thực đề tài Đồng thời cảm ơn động viên, giúp đỡ gia đình bạn bè đồng nghiệp ủng hộ tơi q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp này./ Người thực Trần Quang Thắng Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu CHƯƠNG I : KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 1.1 Tổng quan : Trải phổ kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu nghiên cứu đưa vào ứng dụng nửa kỷ Các ứng dụng kỹ thuật trải phổ thông tin di động đổi tăng thêm quan tâm lý thuyết ứng dụng công nghệ Lúc đầu kỹ thuật trải phổ sử dụng hệ thống thông tin quân Ý tưởng lúc đầu làm cho tín hiệu phát giống tạp âm máy thu không mong muốn nhằm gây khó khăn cho máy thu việc tách lấy tin Để biến đổi tin vào tín hiệu tựa tạp âm, người ta sử dụng mã coi ngẫu nhiên để mã hoá cho tin Tuy nhiên máy thu chủ định phải biết mã này, cần tạo mã cách xác đồng với mã phát để lấy tin Do ta phải sử dụng mã giả ngẫu nhiên-PN, mã giả ngẫu nhiên phải thiết kế cho có độ rộng băng tần lớn nhiều so với độ rộng băng tần tin Bản tin biến đổi mã cho tín hiệu nhận có độ rộng phổ gần độ rộng phổ tín hiệu giả ngẫu nhiên Có thể coi q trình q trình mã hóa gọi trình trải phổ Tại máy thu phải tiến hành giải trải phổ tín hiệu thu để trả lại độ rộng phổ độ rộng phổ tin 1.2 Tính chất nguyên lý kỹ thuật trải phổ: 1.2.1 Tính chất kỹ thuật trải phổ: Một hệ thống thông tin gọi trải phổ hệ thống thoả mãn tính chất sau : • • Tín hiệu phát chiếm độ rộng băng tần lớn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin Trải phổ thực cách độc lập với số liệu 1.2.2 Nguyên lý kỹ thuật trải phổ: Ở kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng chiếm kênh vô tuyến để tiến hành liên lạc cách đồng thời (cùng tần số thời gian) Những người sử dụng phân biệt nhờ dùng mã đặc trưng khác mã giả ngẫu nhiên (PN) Các trình phát thu thể rõ qua sơ đồ khối sau : Chương I : Kỹ thuật trải phổ Tín hiệu gốc GVHD: TS Võ Xn Tựu Xử lý Tín hiệu gốc Phần vơ tuyến Chuỗi PN Hình 1.1: Tại nơi phát Phần vơ tuyến Giải điều chế Tín hiệu gốc thu Bản Chuỗi PN Hình 1.2: Tại nơi thu Tại nơi phát : liệu nguồn sau xử lý tín hiệu điều chế trãi phổ với chuỗi giả ngẫu nhiên, tín hiệu có sau điều chế khơng giống với tín hiệu Sau liệu nguồn tiếp tục đưa qua phần vô tuyến để phát thời thời gian tần số Tại nơi thu : muốn thu liệu phát ta nén phổ trở lại liệu gốc (trải phổ lần 2) Để làm điều máy thu phải dùng mã trải phổ PN xác giống hệt mã dùng phía phát Nếu mã PN máy thu khác không đồng với mã PN tương ứng máy phát, tin tức truyền khơng thể thu nhận hiểu máy thu Trong kỹ thuật trải phổ vấn đề quan trọng cần tạo chuỗi giả ngẫu nhiên PN đầu phát đầu thu phải đồng hồn tồn với điều định đến chất lượng hệ thống trải phổ 1.3 Chuỗi giả ngẫu nhiên PN sử dụng kỹ thuật trải phổ: 1.3.1 Chức chính: Trong hệ thống DS-CDMA thơng tin số Wireless chuỗi PN có nhiệm vụ : Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu • Trải phổ tín hiệu điều chế để tạo phổ liệu phát lớn làm cho nhiễu tác động đến tín hiệu bị chia nhỏ nhờ ảnh hưởng đến tín hiệu • Phân biệt th bao khác chúng dùng chung dãi thông truyền dẫn chế đa truy nhập CDMA Để phân kênh mã người ta đem trộn tín hiệu với chuỗi giả ngẫu nhiên để tín hiệu sau điều chế sau trải phổ phân biệt với 1.3.2 Các tín hiệu xác định – S(t) : Tín hiệu xác định chia thành tín hiệu tín hiệu lượng tín hiệu cơng suất Tín hiệu lượng: Một tín hiệu xác định S(t) coi tín hiệu lượng lượng hữu hạn : E [∞ ] = ∞ ∫ S (t ) dt < ∞ (1.1) −∞ Tín hiệu cơng suất : Tín hiệu xác định S(t) gọi tín hiệu cơng suất lượng vơ hạn cơng suất trung bình lại hữu hạn : P[∞ ] = LimT →∞ α +T ∫ S (t ) dt < ∞ (1.2) α Lưu ý tín hiệu tuần hồn tín hiệu cơng suất Đối với tín hiệu cơng suất ta có : Hàm tự tương quan: Đối với tín hiệu xác định S(t) hàm tự tương quan chuẩn hố nó: φ (τ ) = Limτ →∞ T α +T ∫ S (t + τ )S (t )dt (1.3) α Hàm tự tương quan đánh giá mức độ giống tín hiệu S(t) phiên dịch chuyển khoảng τ Nếu S(t) hàm tuần hồn có chu kỳ T : φ p (τ ) = T1 α +T ∫ S (t + τ )S (t )dt (1.4) α Trong α số hàm φ p (τ ) hàm tuần hồn có chu kỳ T Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xuân Tựu Mật độ phổ cơng suất: Là tranh phân bố lượng tín hiệu trục tần số Mật độ phổ công suất (PSD) tín hiệu xác định S(t) ký hiệu Φ p ( f ) , định nghĩa biến đổi Fourier hàm tự tương quan, nghĩa : ∞ Φ ( f ) = F [φ (τ )] = ∫ φ (τ )e − j 2πτf dτ (1.5) −∞ Φp(f ) f Hình 1.3 Phổ cơng suất tín hiệu nhị phân Hàm tự tương quan chéo: Hàm tự tương quan chéo R c ( τ ) định nghĩa tương quan hai tín hiệu khác f(t) g(t): Rc (τ ) = lim T →∞ T α +T ∫ f (t )g (t + τ )dt (1.6) α Trong trường hợp mã trải phổ nhị phân dùng CDMA, ta so sánh bit tín hiệu cách tính hiệu số số bit giống (Argreement) số bit không giống (Disagreement) để xác định hàm tương quan hàm tự tương quan tương quan chéo Hàm trực giao (orthoganal Functions) Hai tín hiệu s j (t) s k (t) gọi trực giao chúng có tính chất sau : T ∫S j 0 (t ).s k (t ).dt =  1 j≠ k j= k (1.8) Một phát thứ j phát ký hiệu đơn s j (hoặc 1) Để truyền ký hiệu qua môi trường bị chia (một môi trường dùng chung cho nhiều người sử dụng đồng thời), bên phát dùng khóa hàm thời gian φ j (t) mà có chu kỳ khoảng thời gian ký hiệu Với khóa này, thay cho việc gửi s j trực tiếp, phát gửi tín hiệu: e j (t) = s j φ j (t) (1.9) Chương I : Kỹ thuật trải phổ GVHD: TS Võ Xn Tựu Nếu có nhiều tín hiệu e j (t) gửi từ nhiều phát khác tín hiệu tổng là: e( t ) = ∑ e k ( t ) =∑ s k φ k ( t ) k (1.10) k Để nhận tín hiệu e j (t) loại bỏ tín hiệu khác, thu dùng khóa φ j (t) để tương quan với tín hiệu tổng thu e(t), có nghĩa thu thực việc giải mã sau: T s = ∫ e(t ).φ j (t )dt = ∑ s k ∫ φ k (t )φ j (t )dt * j k (1.11) Sau giải mã, nhờ tính trực giao nêu trên, ta thu tín hiệu nguyên thủy phát j phát ( s *j = s j ) Các hàm trực giao sử dụng để tăng hiệu băng thông hệ thống trải phổ Mỗi người sử dụng sử dụng phận tập hàm trực giao đại diện cho dãy ký hiệu dùng để truyền dẫn Mặc dù có nhiều dãy khác dùng để tạo tập hàm trực giao dãy Walsh dãy Hadamard thường dùng để tạo tập hữu ích cho CDMA Có hai cách khác dùng để điều chế hàm trực giao thành luồng tin tức CDMA : tập hàm trực giao dùng trực tiếp mã trải phổ, hàm trực giao dùng để tạo tín hiệu điều chế trực giao 1.3.3 Các chuỗi tín hiệu số băng gốc (tín hiệu nhị phân) : Xét chuỗi ngẫu nhiên biểu diễn dạng : X (t ) = ∞ ∑ A ∏ (1 − γ − KT ) k = −∞ k (1.12) T Trong : (t) = T 0 t lại t T xung chữ nhật đơn vị có độ rộng T có biến đổi Fourier Tsinc(fT).e-jπfT, sinc(t) = sin(πt)/(πt), diện tích hàm sinc(t) = diện tích hàm sinc2(t) = Và Ak = {+A,-A} : có xác suất Chương II : Công nghệ CDMA = M GVHD: TS Võ Xuân Tựu 99 ≈ 90 kênh/ô 1, 0913 Nếu giải tần 12,5 MHz sử dụng 10 kênh CDMA tổng số kênh 900 kênh/ơ Có thể chia kênh thành ba đoạn ô: đoạn 300 kênh Khi lưu lượng cho độ rộng băng tần 12,5 MHz xác suất chặn 2% 857 Erlang (ba ô ô 300 kênh cho lưu lượng là: x 285,7 ≈ 857 Erlang) Đối với hệ thống tương tự AMPS với thừa số tái sử dụng K = ô phân làm từ Bảng hiệu suất sử dụng phổ tần (trang 84) ta được: M = 59 kênh/ô Khi phân bố kênh cho ba đoạn ô sau: đoạn ô 19 kênh (2 kênh sử dụng cho kênh điều khiển) tổng Erlang xác suất chặn 2% là: 36,9 Erlang (mỗi ô 19 kênh đảm bảo: 12,3 Erlang) Như cách sử dụng công thức Qualcom hệ thống IS-95 CDMA đảm bảo 857/36,9 = 23,2 ≈ 23 lần dung lượng lượng hệ thống AMPS Nếu coi hệ thống GSM/TDMA với thừa số tái sử dụng K = sử dụng băng tần với độ rộng: 12,5 MHz, dung lượng hệ thống là: 125 kênh/ô theo Bảng hiệu suất sử dụng phồ tần Khi xác suất chặn 2% ta có dung lượng tương ứng với: 112 Erlang Vậy dung lượng IS-95 gấp 857/112 ≈ 7,65 lần dung lượng hệ thống GSM Nếu không xét đến ảnh hưởng phát khơng liên tục phân đoạn lưu lượng IS-95 tính tốn : (d=1, F=5.6, G=1) = M Bt 1 1, 25.103 = FG 0, ≈ 15 kênh/ô Rb Eb / N d 9, 107 /10 Nếu xét đến điều chỉnh lại cơng suất thì: = M 15 ≈ 14 kênh/ô 1, 0913 Đối với 10 kênh CDMA toàn giải tần 12,5 MHz tổng lưu lượng là: 140 kênh/ô, chia thành hai đoạn ô 50 kênh đoạn ô 40 kênh lưu lượng tính theo Erlang là: 40,3 x + 31 = 111,6 Erlang Như tăng lưu lượng đạt CDMA so với GSM chủ yếu nhờ phân đoạn ô phát không liên tục 81 Chương II : Công nghệ CDMA GVHD: TS Võ Xn Tựu Tất kết tính tốn cho thấy thuộc tính mạng di động tổ ong giới hạn số kênh/Hz/ô Tuy nhiên chừng ta không khảo sát chi tiết chuyển giao, mặt lý thuyết ta đạt dung lượng cần thiết số kênh/Hz/m2 cách điều chỉnh kích cỡ 82 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu CHƯƠNG III : TIÊU CHUẨN CDMA IS – 95 3.1 MỞ ĐẦU: Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ trải phổ Qualcomm đưa thương mại hóa vào năm 1993 Tiêu chuẩn hệ thống đặt tên IS-95 đời vào năm 1995 Chuẩn IS-95 sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp (Direct-Sequence) Tín hiệu tin tức có phổ hẹp nhân với tín hiệu trải phổ băng rộng Tín hiệu trải phổ tạo lựa chọn cho nhiều thuê bao liên lạc lúc dải tần Tức tín hiệu tương ứng với thuê bao gần không tương quan với thuê bao khác Bên cạnh việc sử dụng trải phổ trực tiếp, chuẩn IS-95 sử dụng kỹ thuật xử lý số khác mã hóa xoắn, ghép xen… Vào năm sau này, nhu cầu hệ thống có tốc độ truyền liệu cao ngày tăng, chuẩn IS-95 sửa đổi nhằm tăng khả truyền liệu hệ thống Chuẩn IS-95 cũ đặt tên IS-95A để phân biệt với chuẩn IS-95B IS95B cho phép thuê bao sử dụng mã trải phổ lúc để tăng tốc độ truyền liệu lên 115,2 kbps Dải tần 1,25 MHz Tốc độ chíp 1,2288 Mc/s Dải tần đường xuống (Downlink) 869 – 894 MHz 1930 –1980 MHz Dải tần đường lên (Uplink) 824-849 MHz 1850-1910 MHz Độ dài khung 20ms Tốc độ bit Rate set 1: 9,6 Kb/s Rate set 2: 14,4 Kb/s IS-95B: 115,2 Kb/s Mã hóa thoại QCELP: Kb/s ACELP: 13 Kb/s Số đầu thu phân tập Điều khiển cơng suất Đường lên: Mạch vịng đóng + mạch vòng mở nhanh Đường xuống: mạch vòng chậm Mã trải phổ Dùng mã Walsh + Mã dài M Bảng 3.1: Các tham số giao diện vô tuyến IS-95 83 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu 3.2 CÁC KÊNH VẬT LÝ: Các kênh vật lý tương ứng với tần số mã kênh Thông thường hệ thống CDMA IS95 làm việc cặp tần số với độ rộng băng tần kênh vào khoảng 1,23 Mhz Băng tần dành cho IS95 bảng 3.1 Tần số đường xuống lớn tần số đường lên 45 Mhz Để tăng dung lượng mạng IS95 sử dụng CDMA kết hợp FDMA Khi hệ thống CDMA có nhiều kênh tần số 3.3 CÁC KÊNH LOGIC: 3.3.1 Cấu trúc kênh đường xuống (forward channel) Kênh đường xuống kênh vô tuyến phát từ trạm gốc MS Đường xuống bao gồm kênh: hoa tiêu (pilot), tìm gọi, kênh đồng (các kênh điều khiển chung) kênh lưu lượng (các kênh dành riêng) Kênh đường xuống bao gồm 64 kênh tương ứng với 64 mã Walsh Mã Walsh W0 bao gồm toàn số sử dụng cho kênh pilot, W1 –> W7 dùng cho kênh tìm gọi, W32 dùng cho kênh đồng bộ, mã lại dùng cho kênh lưu lượng (55 kênh) 3.3.1.1 Kênh lưu lượng: Các kênh lưu lượng gán cho MS theo gọi MS thơng báo kênh mã phải thu qua kênh tìm gọi Kênh lưu lượng bao gồm kênh sở từ đến bảy kênh phụ trợ đưa IS-95B nhằm tăng tốc độ truyền liệu Thông số Tốc độ chip PN Tỷ lệ mã Số lần lặp mã Tốc độ ký hiệu điều chế Số chip PN/KH điều chế Số chip PN/bit 9600 1,2288 1/2 19.200 64 128 Tốc độ số liệu 4800 2400 1,2288 1,2288 1/2 1/2 19.200 19.200 64 64 256 512 1200 1,2288 1/2 19.200 64 1024 Đơn vị bps Mcps Bit, ký hiệu mã KH điều chế/ký hiệu mã sps Chip PN/KH điều chế Chip PN /bit Bảng 3.2 Các thông số điều chế kênh lưu lượng đường xuống Một khung kênh lưu lượng có độ dài 20ms bao gồm tốc độ: 9600, 4800, 2400, 1200 bps Với tốc độ 9600 bps khung bao gồm 172 bit thơng tin 12 bít thị chất lượng khung (CRC) cuối bit đuôi, tổng cộng 192 bit Tốc độ 4800 bps khung bao gồm 80 bit thông tin, bit thị chất lượng khung bit đuôi, tổng cộng 96 bit Tốc độ 2400 bps khung bao gồm 40 bit thông tin, 84 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu bit đuôi, tổng cộng 48 bit Tốc độ 1200 bps khung bao gồm 16 bit thơng tin, bit đuôi, tổng cộng 24 bit Kênh lưu lượng rỗi gồm 16 bit “1” phát tốc độ 1200 bps Sau tổ chức thành khung, KLL đường xuống mã hóa xoắn, ghép xen khối, ngẫu nhiên hóa, ghép chung với bit điều khiển cơng suất, mã hóa trải phổ đưa lên điều chế (hình 3.1) Hàm Walsh PN Chip 1,2288 Mcps Kênh hoa tiêu (tồn 0) Các bít kênh đồng Mã hóa xoắn r= 1/2 , K=9 1.2 kbps Các bít kênh tìm gọi 9.6 kbps Mã hóa xoắn r= 1/2 , K=9 4.8 kbps Ký hiệu mã Ký hiệu mã 19.2 ksps Ký hiệu điều chế Lặp ký hiệu 2.4 ksps Đan xen khối 19.2 ksps Hàm Walsh 32 PN Chip 1,2288 Mcps Ký hiệu điều chế Đan xen khối 19.2 ksps Ký hiệu điều chế Lặp ký hiệu A 19.2 ksps Hàm Walsh p Ký hiệu điều chế PN Chip 1,2288 Mcps A 19.2 ksps 9.6 ksps 19.2 ksps Mặt chắn mã dài kênh tìm gọi P Các bit thông tin kênh lưu lượng đường xuống 9,6 kbps 4,8 kbps 2,4 kbps 1,2 kbps A 8,6 kbps 4,0 kbps 2,0 kbps 0,8 kbps Mã hóa xoắn r= 1/2 , K=9 Bộ tạo mã dài 9,2 kbps 4,4 kbps 2,0 kbps 0,8 kbps Cộng thị chất lượng khung cho 9600 4800 bps 19,2 ksps 9,6 ksps 4,8 ksps 2,4 ksps 1.2288 Mcps Cộng bit đuôi Bộ lấy từ 64 9,6 kbps 4,8 kbps 2,4 kbps 1,2 kbps Ký hiệu điều chế 19.2 ksps Lặp ký hiệu Hàm Walsh n PN Chip Các bit điều khiển công suất 800 bit/s 1,2288 Mcps 19.2 ksps Đan xen khối Ngẫu nhiên hóa Ghép A 19.2 ksps Bộ tạo mã dài Mặt chắn mã dài người sử dụng Chuỗi PN hoa tiêu kênh I 1,2288 Mcps Bộ lấy từ 64 800 Hz Chia (1:24) 1,2288 Mcps LBT I(t) I A Σ Cos (2π fct) Q Chuỗi PN hoa tiêu kênh Q LBT Q(t) 1,2288 Mcps -Sin (2π fct) 85 S(t) Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu Ký hiệu: ksps: ksymbol secord – (ki lô ký hiệu giây) kcps: kchip second – (ki lô chip giây) LBT: lọc băng thơng Hình 3-1: Cấu trúc kênh đường xuống cho RSI a Mã hóa xoắn: Mã hóa xoắn cho kênh đồng bộ, tìm gọi, lưu lượng thực mã hóa với thơng số sau: - Tỷ lệ mã r = 1/2 (cứ bit vào có bit đưa ra) - Các đa thức (hàm) tạo mã có dạng sau: g = + x1 + x2 + x3 + x5 + x7 + x8 g = + x2 + x3 + x4 + x8 - Độ dài hạn chế: (Contraint length) K = b Lặp ký hiệu: Bộ lặp ký hiệu có nhiệm vụ cân tốc độ truyền dẫn cho kênh lưu lượng có tốc độ bit khác Ở lặp ký hiệu này, ký hiệu KLL 4800 bps, 2400 kbps 1200 bps lặp lại lần, ba lần bảy lần Như tốc độ đầu lặp ký hiệu không đổi KLL có tốc độ bit khác 19200 ksps c Đan xen khối: Ghép xen khối sử dụng để chống ảnh hưởng pha đinh lên cụm bit dài Ví dụ với đan xen khối cho kênh lưu lượng tốc độ 9600 bps: 384 ký hiệu khung 20ms (19200 ksps) luồng số sau lặp ký hiệu chia thành 16 khối khối 24 bit viết vào nhớ Sau khối đan xen với cách đọc từ nhớ theo trình tự khác d Ngẫu nhiên hóa: Để tạo điều kiện cho việc đồng bit phía thu luồng số ngẫu nhiên hóa Bộ tạo mã ngẫu nhiên trường hợp tạo mã dài 1,2288 Mcps kết hợp với 86 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu lấy từ 64 (ở luồng số ngẫu nhiên chia thành khối 64 bit khối đưa ra) để tốc độ luồng ngẫu nhiên 1,2288 Mcps: 64 = 19,2 ksps (độ rộng ký hiệu 52,0833 µs) Để nhận dạng mã dài cho trạm di động, tạo mã dài điều khiển mặt chắn mã dài (Long Code Mask) e Kênh điều khiển công suất: Kênh điều khiển công suất phát liên tục cách ghép chung vào KLL Kênh phát bit “0” để trạm di động tăng công suất bit “1” để trạm di động giảm công suất với tốc độ 800 bps (cứ 1,25 ms phát bit, bit thay đổi dB công suất phát trạm di động) Kênh điều khiển ghép vào KLL nguyên lý “chích bỏ” (Puncturing) f Trải phổ trực giao (Orthogonal Spreading) Sau ghép với kênh điều khiển công suất, KLL trải phổ hàm Walsh Có 64 hàm Walsh trực giao theo thời gian đánh số từ đến 63 Kênh mã số luôn dành cho kênh pilot Nếu có kênh đồng dành cho kênh mã số 32 Nếu có kênh tìm gọi chúng dành cho kênh mã từ đến Các kênh mã lại phân bổ cho kênh KLL, KLL sử dụng tối đa 63 hàm hàm Walsh từ đến 32 không sử dụng cho kênh tìm gọi kênh đồng Tốc độ hàm Walsh sử dụng để trải phổ 1,2288 Mcps (Mỗi chip có độ rộng 1/1,2288 Mcps = 0,8138 µs chu kỳ lặp lại hàm 64/1,2288 mcps = 52,083 µs) nên tốc độ luồng số kênh mã sau trải phổ 1,2288 Mcps g Trải phổ vng góc (Quadrature Spreaing) Sau trải phổ trực giao kênh mã kênh đường xuống chia thành hai luồng: luồng I đồng pha (Inphase) luồng Q pha vng góc (Quadrature) đưa đến trải phổ vng góc hai chuỗi PN hoa tiêu kênh I kênh Q (Hình 3.1) Các chuỗi tạo tạo chuỗi giả ngẫu nhiên xác định theo đa thức sau: P I = x15 + x13 + x9 + x8 + x7 + x5 + P Q = x15 + x12 + x11 + x10 + x6 + x5 + x4 + x3 + Các chuỗi tạo đa thức tạo mã nói có độ dài 215 – = 32767 Đoạn 14 số liên tiếp chuỗi bổ sung thêm số để dãy 15 số chuỗi có độ dài 32768 87 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xuân Tựu Tốc độ chip chuỗi PN hoa tiêu 1,2288 Mcps Chu kỳ chuỗi 32768 / 1228800 = 26,666 … ms 75 chu kỳ lặp lại chuỗi 2s Mỗi trạm gốc sử dụng khoảng thời gian (time offset) chuỗi PN hoa tiêu để xác định kênh CDMA đường xuống Đối với trạm gốc, tất chuỗi hoa tiêu tần số khác có khoảng cách dịch thời gian Như dịch thời gian chuỗi hoa tiêu cho phép phân biệt kênh CDMA trạm gốc sử dụng trình chuyển giao Các chuỗi hoa tiêu trạm gốc xác định giá trị dịch thời gian so với chuỗi PN hoa tiêu có dịch thời gian 3.3.1.2 Kênh hoa tiêu (pilot): Kênh pilot luôn kênh mã zero, trạm gốc phát kênh CDMA đường xuống tích cực Nó kênh tham chiếu giải điều chế cho thu MS, đồng thời sử dụng cho việc điều khiển công suất chuyển giao Để đảm bảo MS thu tín hiệu pha tham chiếu tin cậy cho việc giải điều chế quán, kênh pilot phát với mức công suất cao kênh lưu lượng Thông thường công suất phát kênh pilot chiếm 20% cơng suất phát tín hiệu đường xuống Tất trạm dùng mã, có dạng sóng mang pilot Các sóng phân biệt với pha sóng pilot Chu kỳ sóng pilot 215 chip, pha sóng pilot gán cho trạm theo bội số 26 = 64 chip, có tất 215-6 = 29 = 512 khả gán Con số : số bit sử dụng để nhận dạng pha sóng pilot gọi Pilot offset 3.3.1.3 Kênh đồng (Sync): Kênh đồng mang tin có thơng tin lặp lại chứa nhận dạng trạm, pha tuyệt đối chuỗi pilot, tốc độ kênh nhắn tin Tốc độ liệu kênh 1200 bps Kênh Sync mang tin chứa định thời hệ thống thông tin cấu hình hệ thống Máy di động xác định định thời hệ thống vòng 833ns 3.3.1.4 Kênh tìm gọi: Kênh tìm gọi phương tiện liên lạc với MS MS không sử dụng kênh traffic Nó chứa tin nhắn thơng báo cho MS có gọi đến, đồng thời chứa thông tin trả lời yêu cầu truy cập MS Nếu truy cập thành công, MS gán kênh lưu lượng Mỗi kênh tìm gọi hoạt động 4800 9600 bps 88 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 GVHD: TS Võ Xn Tựu Mỗi trạm gốc phải có kênh tìm gọi tần số sử dụng Tất thơng báo tìm gọi thực tần số số tần số 3.3.2 Cấu trúc kênh đường lên (REVERSE CHANNEL) Kênh đường lên kênh phát từ MS đến trạm gốc Kênh bao gồm kênh lưu lượng (kênh dành riêng) kênh truy cập chung Bất kênh đường lên hoạt động lúc trạm gốc MS liên lạc với Kênh đường lên bao gồm 242 – kênh logic Mỗi lênh logic sử dụng cho MS MS phát Kênh logic không thay đổi chuyển giao Các kênh logic khác sử dụng để truy cập hệ thống Việc đánh địa kênh đường lên thực thông qua việc xử lý chuổi PN dài 242-1 chip tạo đa thức tạo mã sau : g(x) = x42 + x35 + x33 + x31 + x27 + x26 + x25 + x22 + x21 + x19 + + x18 + x17 + x16 + x10 + x7 + x6 + x5 + x3 + x + Dữ liệu đường lên nhóm thành khung 20ms, mã hóa xoắn, ghép xen khối điều chế trực giao Sau tín hiệu cộng với mã PN dài có tốc độ 1,2288 Mcps( tốc độ chíp Walsh 307,2 kcps nên chíp Walsh trải phổ chip mã PN dài) Các symbol mã nhóm thành nhóm symbol Mỗi nhóm chọn 64 chuỗi trực giao Các chuỗi trực giao giống hàm Walsh sử dụng đường xuống Tuy nhiên mục đích sử dụng chuỗi lại để điều chế trực giao 4,4 kbps Các bit KTN (88 bit/khung) Cộng bit đuôi Ký hiệu mã 14, ksps Mã hóa r = 1/3, K = Lặp ký ký hiệu Ký hiệu mã 28, ksps Đan xen khối Ký hiệu mã 28, ksps Ký hiệu điều chế (Walsh Chip) Bộ điều chế trực giao 64 mức 4,8 kbps 4,8 ksps (307,2 kcps) Chuỗi PN kênh I 1,2288 Mcps I (t) I LBT Cos (2πfct) ∑ Trễ 1/2 PN Chip = 406,9 ns PN chip 1,2288 Mcps D Q Q (t) LBT 1,2288 Mcps Bộ tạo mã dài -Sin (2πfct) Chuỗi PN kênh Q Mặt chắn mã dài 89 S (t) Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 Các bit thông tin kênh lưu lượng đường lên 8,6 kbps 4,0 kbps 2,0 kbps 0,8 kbps Cộng thị chất lượng khung cho 9600 4800 bps 9,6 kbps 4,8 kbps 2,4 kbps 1,2 kbps 28,8 kbps 14,4 kbps 7,2 kbps 3,6 kbps Cộng bít Tốc độ số liệu khung Ký hiệu điều chế (Walsh Chip) Bộ điều chế trực giao số 64 GVHD: TS Võ Xuân Tựu Chuỗi PN kênh I 9,2 kbps 4,4 kbps 2,0 kbps 0,8 kbps Mã hóa r = 1/3, K = 28,8 ksps Lặp ký hiệu Đan xen khối 1,2288 Mcps I (t) LBT Cos (2πfct) Bộ ngẫu nhiên hóa cụm số hiệu 4.8 ksps (307,2 kcps) ∑ Trễ 1/2 PN Chip = 406,9 ns PN chip 1,2288 Mcps D Q S (t) Q (t) LBT 1,2288 Mcps Bộ tạo mã dài Mặt chắn mã dài -Sin (2πfct) Chuỗi PN kênh Q Ký hiệu: PN: Pseudo Noise – Giả tạp âm I: Inphase – Kênh đồng pha Q: Quadrature – Kênh pha vng góc LBT: Bộ lọc băng thơng D : trễ Hình 3-2: Cấu trúc kênh đường lên cho RSI Mỗi kênh lưu lượng kênh truy cập nhận dạng pha khác mã có chiều dài 242 Việc trải phổ thực mã có chiều dài 215 đường xuống dịch chip 3.3.2.1 Kênh lưu lượng: Kênh lưu lượng đường lên có cấu trúc khung giống kênh lưu lượng đường xuống xét trước Kênh lưu lượng đường lên bao gồm kênh sơ sở số kênh phụ trợ Kênh lưu lượng cho MS Điều có nghĩa MS có mặt nạ mã dài, dựa số Serial điện tử Khi trạm di động ấn định kênh lưu lượng, trạm di động sử dụng mặt nạ mã dài riêng Số lượng kênh lưu lượng MS sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ dịch vụ số lượng dịch vụ mà MS sử dụng đồng thời 90 Mã ký hiệu Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 8,6 kbps Thêm bít chất lượng khung (12 bit/khung) GVHD: TS Võ Xuân Tựu Thêm bit mã hóa /khung Mã hóa xoắn r = 1/3, K = 9,6 kbps 28,8 kbps Ghép xen khối Điều chế trực giao Ai 1,2288 Mcps Mặt nạ mã dài cho kênh phụ trợ i Tạo mã dài Hình 3-3: Cấu trúc kênh phụ trợ dường lên IS-95 cho RSI a Điều chế trực giao: Sau ghép xen khối, tín hiệu đưa lên điều chế trực giao Ở điều chế ký hiệu đầu vào thay số 64 hàm Walsh trực giao Mỗi hàm Walsh đánh số từ đến 64 tương ứng với ký hiệu điều chế 64 chip đầu điều chế trực giao Luồng ký hiệu đầu vào điều chế trực giao chia thành nhóm ký hiệu (c , c , c , c , c , c ) c ký hiệu sau c ký hiệu Ký hiệu đầu cho điều chế hàm Walsh có số tính theo cơng thức sau: Chỉ số ký hiệu điều chế = c + 2c + 4c + 8c + 16c + 32c b Truyền dẫn tốc độ số liệu thay đổi thuật tốn ngẫu nhiên hóa cụm số liệu: Để truyền dẫn tốc độ số liệu thay đổi cho luồng số liệu có tốc độ bit khác (9600, 4800, 1200 bps), luồng số đầu ghép đóng mở để xóa số ký hiệu cho số ký hiệu qua tùy theo tốc độ bit Chẳng hạn truyền 4800 bps, 2400 bps, 1200 bps có 1/2, 1/4 hay 1/8 ký hiệu cho qua Quá trình đóng mở thực cách chia khung 20 ms thành 16 đoạn (1, 25 ms) gọi nhóm điều khiển cơng suất Một số nhóm mở cho qua cịn số nhóm bị đóng khơng qua 3.3.2.2 Kênh truy cập: 91 Chương III : Tiêu chuẩn IS-95 Các bit kênh truy cập (88 bit/khung) GVHD: TS Võ Xuân Tựu Thêm bit mã hóa /khung 4,4 kbps Mã hóa xoắn r = 1/3, K = 4,8 kbps 14,4 kbps Lặp Symbol 28,8 kbps Ghép xen khối Điều chế trực giao 28,8 kbps Chuỗi PN pilot kênh I 1,2288 Mcps Cos (2πfct) I(t) Lọc băng gốc I Trể 1/2 chíp 1,2288 Mcps Tạo mã dài Mặt nạ mã dài ∑ Q D Q(t) Lọc băng gốc Chuỗi PN pilot kênh Q 1,2288 Mcps s(t) Sin (2πfct) Hình 3-4: Cấu trúc kênh truy cập đường lên IS – 95 Chỉ có loại kênh tiêu đề cho đường lên gọi kênh truy cập Kênh truy cập phương tiện liên lạc với MS MS không sử dụng kênh lưu lượng Mục đích kênh truy cập khởi đầu dịch vụ trả lời nhắn tin từ trạm gốc Các truy cập thành công thường nối tiếp việc gán kênh thoại Mỗi trạm gốc phải phục vụ kênh truy cập Kênh truy nhập phát từ trạm gốc với tốc độ cố định 4800 bps khung có độ dài 20ms Mỗi khung chứa 88 bit thông tin bit đuôi 3.4 KẾT LUẬN: Chuẩn IS -95 tiêu chuẩn điển hình cho mạng thơng tin di động hệ thứ hai sử dụng công nghệ CDMA (được gọi hệ thống cdmaOne) Đây tiêu chuẩn CDMA triển khai rộng rãi mạng di động giới đánh giá cao Giới hạn tốc độ IS-95B 115,2 bps, tốc độ tương đối chấp nhận cho việc truyền liệu hệ thống cao nhiều so với tốc độ GSM 9600 bps Tuy nhiên, IS-95B chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng ứng dụng có tốc độ cao truyền ảnh, video… 92 Kết luận GVHD : TS Võ Xuân Tựu KẾT LUẬN ***** Trong thời gian có hạn khả thân, luận văn đề cập vấn đề kỹ thuật trải phổ, công nghệ CDMA ứng dụng thông tin di động tiêu chuẩn CDMA2000 Qua nội dung nghiên cứu luận văn, cho thấy đặc tính ưu việt Công nghệ CDMA, đặc biệt khả chống nhiễu, bảo mật cho phép dễ dàng xây dựng hệ thống thông tin di động băng rộng với khả ứng dụng đa dịch vụ - đa phương tiện Vấn đề triển khai công nghệ CDMA Việt Nam tất yếu nay, nhằm đáp ứng yêu cầu thông tin liên lạc ngày phát triển xã hội Hiện nay, Việt Nam có hai mạng GSM CDMA tồn song song phát triển hướng tới 3G, thời điểm có doanh nghiệp viễn thơng phép cung cấp dịch vụ thông tin di động với tổng số thuê bao xấp xỉ 15 triệu Trong có doanh nghiệp sử dụng công nghệ GSM chiếm đa số thuê bao, là: GPC-Vinaphone (091, 094), VMS-MobiFone (090, 093) Viettel Mobile (097, 098) Và doanh nghiệp cịn lại sử dụng cơng nghệ CDMA vươn lên cách mạnh mẽ, là: S-Fone (095); Hanoi Telecom (092) E-Mobile(096), E-Phone EVN Ngoài ra, cịn có Bưu điện Thành phố Hồ Chí Minh với : điện thoại cố định không dây CDMA 2000-1x di động nội thị CDMA 2000-1x Tuy nhiên, hệ thống CDMA (3G) có hạn chế sau : - Rất khó đạt tốc độ truyền số liệu cao can nhiễu dịch vụ; - Băng tần số liệu cho phép truyền dẫn với tốc độ lên tới 384Kbps 2Mbps (trong nhà) đáp ứng dịch vụ thoại, truyền số liệu truy nhập Internet di động Tuy nhiên khó tạo dãi đầy đủ dịch vụ tương tác đa phương tiện, đa tốc độ với yêu cầu hiệu QoS khác hạn chế với mạng lõi gây tiêu chuẩn giao diện vô tuyến - Dãi tần băng tần 2GHz dành cho hệ thống 3G sớm bị bão hòa có ràng buột kết hợp chế độ FDD, TDD Từ thúc đẩy việc xây dựng hệ thống 4G để khắc phục hạn chế hệ thống 3G đáp ứng nhu cầu phải có hệ thống linh động có khả thích 143 Kết luận GVHD : TS Võ Xuân Tựu nghi khía cạnh : đa dạng thiết bị, ứng dụng, mở rộng thủ tục IP, loại hình chất lượng dịch vụ, đặc tính di động, bảo mật, giao diện vô tuyến, việc sử dụng phổ tần, vùng phủ sóng, … Hệ thống 4G thực mạng toàn IP (cả mạng truy nhập mạng lõi) hệ thống cố định, mạng truy nhập vô tuyến khác nhau, hệ thống quảng bá … kết nối đến mạng lõi IP Điều cho phép dịch vụ khác kết nối thơng suốt đến mạng lõi dựa giao thức IP Mỗi thiết bị có số nhận dạng riêng, số điện thoại, PIN địa IP cho tất công nghệ truy nhập PAN/LAN/MAN GSM TV Mạng lõi IP Quảng bá WLAN 3G 2G Hệ thống thông tin 4G Cuối cùng, mong đề tài nghiên cứu nhận ý kiến đóng góp thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp Với niềm say mê nghề nghiệp tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng vào lĩnh vực viễn thơng có hiệu thiết thực Xin chân thành cảm ơn ! 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO ***** TS Nguyễn Phạm Anh Dũng - Lý thuyết trải phổ ứng dụng – NXB Bưu điện TS Đặng Đình Lâm, TS Chu Ngọc Anh, Th.S Nguyễn Phi Hùng, Th.S Hoàng Anh – Hệ thống thông tin di động 3G xu hướng phát triển – NXB Khoa học Kỹ thuật TS Nguyễn Phạm Anh Dũng – Giáo trình thông tin di động hệ ba – Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng TS Nguyễn Phạm Anh Dũng – Giáo trình thơng tin di động – Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng TS Trần Hồng Quân, TS Nguyễn Hữu Hậu – Nguyên lý thông tin di động – NXB Bưu Điện ₪₪₪ 145