Phương pháp đa truy nhập và kỹ thuật trải phổ trong cdma

Lời nói đầu Công nghệ viễn thông đà có bớc phảt triển đột phá Cùng với phát triển ngành thông tin khác nh: Điện tư, tin häc, quang häc c«ng nghƯ th«ng tin… c«ng nghệ thông tin đà mang lại cho công nghệ thông tin đà mang lại cho ngời nhiều lợi Ých vÒ nhiÒu lÜnh vùc cuéc sèng x· héi nh: nhu cầu trao đổi thông tin, giáo dục, y học, thông tin quảng bá kinh tế công nghệ thông tin đà mang lại cho Thông tin di động mạng thông tin mang lại nhiều lợi ích kinh tế, phù hợp với nhu cầu ngày tăng toàn xà hội Ngay từ đầu đời hệ thống thông tin di động đà đợc hởng ứng cách tích cực với nhu cầu ngày tăng Tốc độ tăng trởng mật độ thuê bao tăng nhanh với yêu cầu dịch vụ ®ßi hái thêi gian thùc cđa hƯ thèng rÊt cao Do vậy, hệ thống hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) gặp nhiều khó khăn Để giải vấn đề hÃng Viên thông lớn giới có qualcomm đà đề xuất phơng án đa kĩ thuật phân chia theo mà (CDMA) với kĩ thuật trải phổ vào ứng dụng thông tin di động Sau thời gian nghiên cứu vµ thư nghiƯm ngêi ta thÊy r»ng CDMA cã rÊt nhiều u điểm so với FDMA TDMA,với u điểm không nghi ngờ đà thực đợc nhà khoa học, nhà khai thác công nghệ công nhận vị trí hàng đầu tơng lai, đà đợc áp dụng nhiều lĩnh vực giành cho ngời, đà có hàng triệu thuê bao công nghệ CDMA tỏ hài lòng chất lợng nó.Phơng thức đa truy nhập phân chia theo mà CDMA có khả đáp ứng tơng đối dễ dàng nhiều loại hình dịch vụ cung cấp dung lợng cao nhiều so với phơng thức đa truy nhập (FDMA) (TDMA) Hơn nũa kĩ thuật trải phổ với u điểm khả chông nhiễu tính bao mật cao, kĩ thuật đặc thù mà có CDMA có Công nghệ CDMA đà bớc đợc đa vào nghiên cứu áp dụng mạng viễn thông Việt Nam CDMA công nghệ có nhiều vấn đề phức tạp, để hiểu sâu vấn đề phải có nhiều thời gian tài liệu thc tế Nhng khuôn khổ có hạn nên Đồ án tập trung vào xem xét tổng quát công nghệ CDMA ứng dụng CDMA thông tin di động Nội dung báo cáo gồm: Chơng I: Tổng quan thông tin di động Chơng II: Các Phơng pháp đa truy nhập kỹ thuật trải phổ CDMA Chơng III:Những ứng dụng hệ thống CDMA Do thời gian khả hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót em xin nhận góp ý thầy cô bạn khoa ĐTVT để em làm tốt Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo: Nguyễn Văn Định đà hớng dẫn giúp đỡ, bảo tận tình giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Ngời thực Nguyễn Văn Chiến CHƯƠNG I Tổng quan thông tin di động I tổng quan hệ thống thông tin di động I.1 lịch sử phát triển thông tin di động Điện thoại di động đời từ năm 1920, đố điện thoại di động đợc sử dụng nh phơng tiện thông tin đơn vị cảnh sát Mỹ Mặc dù khái miệm tổ ong, kỹ thuật trải phổ, điều chế số công nghệ vô tuyến đại khác đà đợc biết đến 50 năm trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mÃi đến đầu năm 1960 suất dạng sử dụng đợc sửa đổi thích ứng hệ thống điều vận Các hệ thông điện thoại di động tiện lợi dung lợng thấp so với hệ thống Cuối cùng, hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đà xuất vào năm 1980 Cuối năm 1980 ngêi ta nhËn thÊy r»ng c¸c hƯ thèng tỉ ong tơng tự đáp ứng đợc nhu cầu ngày tăng vào kỷ sau nh không loại bỏ đợc hạn chế cố hữu hệ thống Phân bố tần số hạn chế, dung lợng thấp Tiếng ồn khó chịu nhiễu xảy máy di động chuyển dịch môi trờng pha đinh đa tia Không đáp ứng đợc dịch vụ hấp dẫn khách hàng Không cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị di dộng sở hạ tầng Không đảm bảo tính bí mật gọi Không tơng thích hệ thống khác nhau, đặc biệt Châu Âu, làm cho thuê bao sử dụng đợc máy di động nớc khác Giải pháp để loại bỏ hạn chế phải chuyển sang sư dơng kü tht th«ng tin sè cho th«ng tin di động với kỹ thuật đa truy nhập Hệ thống thông tin di động số sử duụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đợc đời Châu Âu có tên gọi GSM Ban đầu hệ thống đợc gọi Nhóm đặc trách động theo tên gọi nhóm đợc CEPT Hội nghị quan quản lý viễn thông bu Châu Âu cử để nghiên cứu tiêu chuẩn Sau để tiện cho việc thơng mại hoá GSM đợc gọi Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM đợc phát triển từ năm 1982khi nớc bắc ÂU gửi đề nghị đến CEPT để qui định dịch vụ viễn thông chung châu ÂU băng tần 900 Mhz Lúc đầu vào năm 1982-1985 ngời ta bàn luận việc nên xây dựng hệ thống số hay tơng tự Năm 1985 hệ thống số đợc định Bớc chọn lựa giải pháp băng rộng hay băng hẹp Năm 1986 kiểm tra trờng đà đợc tổ chức Paris, hÃng đà đua tài với giải pháp Tháng năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đà đợc lựa chọn đồng thời 13 nớc đà đăng ký vào biên ghi nhớ thực quy định, nh đà mở thị trờng di động số có tiềm lớn Tất c¸c h·ng khai th¸c ký MoU høa sÏ cã mét hƯ thèng GSM vËn hµnh vµo 1/7/1991 Mét sè níc đà công bố kết phủ sóng vùng rộng lớn từ đầu, số nớc khác bắt đầu phục vụ bên xung quanh thủ đô Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993, đợc công ty VMS GPC khai thác hiệu Mỹ hệ thống AMPS tơng tự sử dụng phơng thức FDMA đợc triển khai vào năm 1980, vấn đề dung lợng đà phát sinh thị trờng di động chÝnh nh: New york, Los Angeles… c«ng nghƯ th«ng tin đà mang lại cho Mỹ đà có chiến lợc nâng cấp hệ thống thành hệ thông số: chuyển tới hệ thống TDMA đợc liên hiệp công nghiệp viễn thông TIA ký hiệu IS-54 Cuối năm 1980 việc trở lên rõ ràng IS-54đà gây thất vọng.Việc khảo sát khách hàng đà cho thấy chất lợng AMPS tốt Rất nhiều hÃng Mỹ lạnh nhạt với TDMA AT&T hÃng lớn sử dụng TDMA HÃng đà phát triển phiên mới: IS -136, đợc gọi amps số (D-AMPS) Nhng không giống nh IS - 54, GSM đà đạt đợc thành công Có lẽ thành công chỗ nhà phát triển hệ thống GSM đà dám thực hi sinh lớn để tìm kiếm thị trờng Châu Âu Châu họ không thực tơng thích giao diện vô tuyến GSM AMPS Nh hÃng Ericsson Nokia trở thành hÃng dẫn đầu sở hạ tầng vô tuyến số bỏ lại hÃng Motorola Lucent Tình trạng đà tạo hội cho nhà nghiên cứu mỹ tìm phơng án thông tin di động số Để tìm kiếm thông tin di động số ngời ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mà (CDMA) Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ trớc đà có ứng dụng chủ yếu quân Đợc thành lập vào năm 1985, Qualcom, sau đợc gọi thông tin Qualcom đà phát triển công nghệ CDMA cho thông tin di động đà nhận đợc nhiều phát minh lĩnh vực Lúc đầu công nghệ đợc đón nhận cách dè dặt quan niệm tuyền thông vô tuyến thoại đòi hỏi kênh vô tuyến riêng Đến công nghệ đà trở thành công nghệ thống trị Bắc Mỹ Qualcom đà đa phiên CDMA đợc gọi IS-95 Các mạng CDMA thơng mại đà đợc đa vào khai thác hàn Quốc Hồng Công CDMA đà đợc mua đa vào thử nghiệm Achentina , Braxin Chile, Trung quốc Đức ,Thái Lan , pê ru, Philippin, Ixaren, Nhật Bản Tổng Công Ty Bu Chính Viễn thông Việt Nam đà có kế hoạch thử nghiệm CDMA Nhật vào năm 1993, NTT đa tiêu chuẩn thông tin di động số nớc JPD(Japanese Personal Digital Cellular System - HƯ thèng tỉ ong sè Nhật Bản ) Để tăng thêm dung lợng cho hệ thông thông tin di động, tần số hệ thống đợc chuyển từ vùng 800-900Mhz vào vùng 1,81,9Ghz Một số nớc đà đa vào sử dụng hai tần số Song song với phát triển hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nôi hạt sử dụng máy cầm tay không dây số đợc nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin DECT (Digital Enhanced Cordless Telecomunications - Viễn thông không dây số tăng cờng) Châu Âu PHS (Personal Handyphone System - Hệ thống máy điện thoại cầm tay cá nhân) Nhật Bản đà đợc đa vào thơng mại Ngoài hệ thống thông tin di động mặt đất, hệ thống thông tin di động vệ tinh: Global Iridium đợc đa vào thơng mại năm 1998 Nh kết hợp hệ thống thông tin di động nói tạo lên hệ thống thông tin di động cá nhân PSC cho phép cá nhân thông tin thời điểm nơi mà họ cần thông tin Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng khách hàng dịch vụ viễn thông tiến tới hệ thông thông tin di động hệ đợc gọi hệ thông thông tin di động băng rộng Việt Nam, GPC VMS khai thác mạng thông tin di động số Vinaphone Mobiphone theo tiêu chuẩn GSM Công ty SPT liên doanh với công ty SLD dự kiến đa vào khai thác hệ thống thông tin di dộng theo tiêu chuẩn IS-2000 vào cuối năm2001 Ngoài để đáp ứng dịch vụ mơi dịch vụ truyền số liệu, hÃng khai thác dịch vụ thông tin di động Việt Nam nghiên cứu chuyển dần sang thông tin di dộng hệ ba Trớc mắt công nghệ thông tin di động hệ 2,5 đợc đa vào sử dụng hai nhà khai thác mạng Vinaphone Mobiphone đà đa vào mạng họ công nghệ WAP GPRS, SPT sử dụng từ đầu tiêu chuẩn IS - 2000 Các công nghệ cho phép tăng dung lợng truy nhập lên đến 144kbps truy nhập trực tiếp vào mạng Internet I.2 Giíi thiƯu tỉng quan vỊ CDMA Cho dï nghiên cứu CDMA nhiều năm trớc, nhng kiện quan trọng cho việc ứng dụng CDMA vào thông tin di động mặt đất Đại hội toàn thể lần thứ 14 cuả hội §ång t vÊn V« tun Qc tÕ (CCIR) tỉ chøc vào tháng năm 1978 TOKYO (Nhật Bản) Hội nghị đà xem sét kỹ thuật trải phổ nh kỹ thuật then chốt đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động mặt đất dung lợng lớn Kể từ gặp đà có nhiều nghiên cứu ứng dụng trải phổ thông tin di động mặt đất Phòng nghiên cứu vô tuyến, Bộ bu viễn thông nhật (ngày phòng nghiên cứu thông tin ) đà phát triển hệ thống thực nghiệm cho chuỗi trải phổ trực tiếp DS/SS (Direct Sequence/Spread Sprectrum) nhẩy tần FH (Frequency Hopping) vào năm 1981 thực thí nghiệm vào năm 1981-1986 Kết thí nghiệm cho thấy: Một máy thu Rake tổ hợp đờng trực tiếp đờng tia trễ cách hiệu điều kiện pha đinh chọn tần Nhẩy tần nhanh FFH có tính chống pha đinh chọn tần cao kỹ thuật có hiệu cao nhiều kết hợp với kỹ thuật sửa lỗi trớc (FEC) Tuy nhiên kết cha thúc đẩy đợc vịêc sử dụng trải phổ vào thông tin di động mặt đất : Công nghệ thiết bị non trẻ để tạo thiết bị điều khiển công suất nhanh, điều cần thiết để giảm ảnh hởng hiệu ứng không mong mn c¸c hƯ thèng DS/SS Khã cã thể sản suất đợc tổng hợp FFH Dung lợng hệ thống sử dụng kỹ thuật trải phổ đợc ớc đoán thấp so với hệ thống chia ô FM tơng tự sử dụng Kết là, phần lớn kỹ s thông tin di động mặt đất kết thúc nghiên cứu hệ thống CDMA vào thập kỷ 80 Tuy nhiên vào cuối năm 1980 Qualcomm Inc đa hệ thống DS/CDMA làm tăng dung lợng hệ thống lên 10 đến 20 lần so với hệ thống điện thoại di động cải tiến (AMPS) Bởi việc tăng dung lợng hệ thống nh hấp dẫn cho hệ thống chia ô nh hệ thống thông tin cá nhân tơng lai, nhiều kỹ s đà bắt đầu nghiên cứu phát triển hệ thèng CDMA Khi Qualcomm Inc ®a hƯ thèng DS/CDMA, phần lớn ngời nghi ngờ khả tăng dung lợng hệ thống lên 10 20 lần, hệ thống trải phổ đợc đánh giá không hiệu việc tăng dung lợng hệ thống Các đặc điểm chỉnh giúp nâng cao dung lợng hệ thống là: Sự đời mạch tích hợp mật ®é cao LSI( large scale Integration) ®iỊu khiĨn c«ng st nhanh với dải động 80dB Mà chập với tỷ lệ mà thấp mà trực giao đợc tổ hợp cách hiệu với kỹ thuật DS/SS để cải thiện độ nhạy máy thu Chuyển giao mềm mềm hơn, loại kỹ thuật phân tập, đợc sử dụng để cải thiện độ nhậy máy thu nh làm giảm đỉnh xuất thời gian ngắn nhiễu kênh(CCI) việc bù pha đinh sâu Các mà hoá thoại tốc độ biến đổi đợc sử dụng làm giảm nhiễu kênh thoại tín hiệu, làm giảm CCI Phân bố theo sector đợc sử dụng để giảm CCI Vì thế, dung lợng cao hệ thống Qualcomm đợc cho có thích hợp hiệu kỹ thuật DS/SS kỹ thuật khác theo chiến lợc sau: Loại bỏ nguyên nhân làm hạn chế dung lợng hệ thống điều khiển công suất nhanh,bộ mà hoá thoại tốc độ biến đổi chia ô thành sector phần chiến lợc Cải thiện độ nhậy máy thu để cải tiến dung lợng hệ thống M· chËp hƯ sè nhá vµ chun giao mỊm vµ mềm phần chiến lợc Ngoài cải tiến kỹ thuật này, đời DS/CDMA kết kỹ thuật thiết bị đợc phát triển gần đặc biệt mạch tích hợp lớn VLSI( very large scale integration) vµ xư lý tÝn hiƯu sèDSP (Digital signal brocessing) Khi so sánh thiết bị xử lý chung tâm (CPU) năm 1980 với năm 1990 thấy năm 1980 CPU 16 bit, đến năm 1990 đà 64 bit, nhanh gấp 50 lần Với khả nhớ tơng tự nh Năm 1990, dung lợng nhớ gấp 50 lần so với năm 1980 DSP, năm 1980 DSP cha đời, nhng năm 1990 đà có DSP dấu phảy động Công nghệ DSP lực đẩy mạnh cho việc ứng dụng TDMA CDMA cho hệ thống chia ô thực tế chip DSP cã thĨ thùc hiƯn c¸c sư lý c¸c tín hiệu phức tạp, nh cân thích ứng, máy thu Rake, mà hoá thoại, công nghệ thông tin đà mang lại cho conVới tảng kỹ thuật lịch sử, vào năm 1985 ủy ban thông tin liên lạc liên bang mỹ( FCC) đà cấp phép cho việc ứng dựng trải phổ vào thiết bị sử dụng nghành công nghiệp, khoa học Y tế: vô tuyến thông dụng cho cảnh sát Sau vào năm1993, Hiệp hội công nghiệp viễn thông chấp nhận đề nghị hệ thống DS/ CDMA Qualcomm Inc làm chuẩn tạm thời cho hệ thống chia ô số I.3 Cấu trúc chung mô hình hệ thông thông tin di dộng I.3.1 Mô hình tham khảo hệ thông thông tin di động Một hệ thống thông tin di động bao gồm nhiều phần tử vật lý, chúng phần tử riêng rẽ hay đặt với phấn tử lôgic khác Tuy nhiên phần tử phải tơng tác với để kết hợp hoạt động Để tơng tác tin phải đợc phát giao diện hai phần tử Nếu hai phận chức tách biệt giao diện đợc chuẩn hoá nhà cung cấp dịch vụ mua sản phẩm từ nhà sản xuất khác Tuy nhiên cha đảm bảo hoạt động tốt tiêu chuẩn liên kết không bao hàm đợc tất khía cạnh khai thác Phần trình bày phận chức giao diện đà đợc chuẩn hoá phận Mô hình tham khảo hệ thông thông tin di động đợc cho hình 1.2 ISDN SS PSPDN AUC VLR Phân vùng chuyển mạch HLR CSPDN EIR MSC PSTN OSS BSS PLMN BSS BSS BSC BTS BTS Phân vùng trạm gốc MS Truyền dẫn tin tøc KÕt nèi cc gäi vµ trun dÉn tin tức Hình 1.2 Mô hình tham khảo hệ thống thông tin di động Các phần tử mô hình tham khảo nh sau: Trạm di động , MS MS (Mobile Station)là thiết bị mà ngời sử dụng thờng xuyên nhìn thấy hệ thống MS thiết bị đặt ô tô hay thiết bị sách tay thiết bị cầm tay Loại thiết bị nhỏ cầm tay thiết bị trạm di động phổ biến Ngoài việc chứa chức vô tuyến chung sử lý cho giao diện vô tuyến MS phải cung cấp giao diện cho ngời sử dụng (nh loa, dàn hiển thị, bàn phím để quản lý gọi) giao diện với số thiết bị khác (máy tính cá nhân, Fax công nghệ thông tin đà mang lại cho con) Hiện ng ời ta cố gắng sản xuất thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Trạm thu phát gốc, BTS Một trạm BTS (Base Tranceiver Station) bao gồm thiết bị phát thu, anten sử lý tín hiệu đặc thï cho giao diƯn v« tun Cã thĨ coi BTS modem vô tuyến phức tạp có thêm số chức khác Một phận quan trọng cđa BTS lµ TRAU (Transcoder/ Adapter Rate Unit- khèi chun đổi mà tốc độ ) TRAU thiết bị mà trình mà hoá giải mà tiếng đặc thù riêng cho hệ thống thông tin di động đợc tiến hành, đợc thực thích ứng tốc độ trờng hợp chuyển số liệu TRAU lµ mét bé phËn cđa BTS, nhng cịng đặt xa BTS chí nhiều trờng hợp đợc đặt BSC MSC Bộ điều khiển trạm gốc, BSC BSC (Base Station Controller) có nhiệm vụ quản lý tất giao diện vô tuyến thông qua lệnh điều khiển từ xa BTS MS Các lệnh chủ yếu lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến quản lý chuyển giao (Handover) Một phía BSC đợc nối víi BTS cßn phÝa nèi víi MSC Trong thùc tế BSC tổng đài nhỏ có khả tính toán đáng kể Vai trò chủ yếu quản lý kênh giao diện vô tuyếnvà chuyển giao Một BSC trung bình quản lý tới vài trăm chục BTS phụ thuộc vào lu lợng BTS BTS kết hợp chung với BSC vào trạm gốc Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động, MSC hệ thống thông tin di dộng chức chuyển mạch đựơc thùc hiƯn bëi MSC (Mobile Serveices Switching Center), nhiƯm vơ MSC điều phối việc thiết lập gọi đến ngời sử dụng mạng thông tin di dộng Một mặt MSC giao diện với BSC, mặt khác giao diện với mạng MSC làm nhiệm vụ giao diện với mạng đợc gọi MSC cổng (GMSC: Gate MSC) Việc giao diện với mạng để đảm bảo thông tin cho ngời sử dụng mạng thông tin di động đòi hỏi cổng thích ứng IWF(IWF: Inter Working Funtion- Các chức tơng tác) Mạng thông tin di động cần giao diện với mạng để sử dụng khả truyền tải mạng cho việc truyền tải số liệu ngời sử dụng báo hiệu phần tử mạng Chẳng hạn mạng thông tin di động sử dụng mạng báo hiệu kênh chung số (CCS No 7), mạng đảm bảo hoạt động tơng tác phần tử hay nhiều mạng thông tin di động MSC thích hợp cho vùng đô thị ngoại ô có dân c vào khoảng triệu ngời (với mật độ thuê bao trung bình) Để kết nối MSC với mạng khác cần phải thích ứng đặc điểm truyền dẫn mạng thông tin di động với mạng Các thích ứng đợc gọi chức tơng tác(IWF) IWF bao gồm thiết bị để thích ứng giao thức truyền dẫn Nó cho phép kết nối với mạng: PSPDN (Packet Switched Piblic Data Network- Mạng số liệu công cộng chun m¹ch gãi) hay CSPDN (Circuit Switched Public Data Network- Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh), tồn mạng khác đơn PSTN (Public Switched Telephone Network- Mạng điện thoại chuyển mạch