tìm hiểu kỹ thuật cdma - nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động cdma

Trường Đại Học Tôn Đức Thắng Khoa Điện-Điện Tử Nghành Điện Tử VIễn Thông ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 TÌM HIỂU KỸ THUẬT CDMA GV :Th.S Đặng Ngọc Minh Đức Sinh viên :Trần Khánh-Nguyễn Duy Hinh MSSV : 910451D- 910424D Lớp : 09DD2N Lời cảm ơn Để có những kiến thức sâu sắc về chuyên nghành, khả năng thiết kế và phân tích mạch như ngày hôm nay em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy và cô khoa Điện-ĐiệnTử, trường ĐH Tôn Đức Thắng ,thầy cô đã hết lòng truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong quá trình giảng dạy. Em xin gữi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đặng Ngọc Minh Đức ,thầy đã định hướng tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em hoàn thành tốt đồ án 2 này,làm tiền đề cho luận văn sau này. Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã chọn đề tài “Tìm Hiểu Kỹ Thuật CDMA”. Một lần nửa em cảm ơn thầy! LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vượt bậc cúa công nghệ thông tin và song song với sự phát triển của công nghệ thông tin thì công nghệ vô tuyến cũng phát triển theo.Với những chuẩn truyền thông mới,hiện đại đã được nghiên cứu và ứng dụng rông rãi.Cuộc cách mạng của nước ta thậ sự bùng nổ khi ba mạng điện thoại di động ra đời : VMS_Mobile Phone , GPC_VinaPhone và Viettel đều dựa trên công nghệ GSM (Golbal System for Mobile). Năm 1995 công nghệ CDMA với phiên bản đầu tiên là IS_95 được triển khai ở Hồng Kông đã khắc phục được một số nhược điểm của GSM,công nghệ này đã phát triển mạnh ở Bắc Mỹ và ở Hàn Quốc khi vừa ra đời. Nó được triển khai ở nước ta vào năm 2003 bởi công ty Sfone sử dụng công nghệ CDMA 2000_1x, và mới đây na9m 2006 EVN_Telecom cũng cho ra đời mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ CDMA 2000_1x. Nói đến việc truyền dữ liệu thì bất kỳ kiểu truyền nào cũng tính đến khả năng bảo mật, tốc độ và băng thông truyền, mã hóa và giải mã đúng với thông tin gốc ban đầu. Với cong nghệ CDMA chúng ta có thể truyền thông với khả năng bảo mật cao nhờ vào áp dụng công nghệ trải phổ hiện đại, tốc độ truyền có thể lớn hơn so với hệ thống GSM trước đó cùng với băng thông rộng ta có thể truyền được dữ liệu hình ảnh với chật lương tốt. Tuy nhiên nhược điểm của CDMA là bị giới hạn bởi nhiễu đa truy cập MAI ( Multiple Access Intreference) vì chuổi trãi phổ của các user không hoàn toàn trực giao. Khi số user tăng đến một mức nào đó ( nghẽn mềm) thì phương pháp tách sóng thông thường có thể làm mất dữ liệu. Giới hạn của GS-CDMA hiện tại là còn biểu hiện ở vấn đề gần xa. Người dùng ở trạm thu phát gốc sẽ được trạm thu phát tín hiệu với mức công suất thu phát lớn hơn so với người xa, vì vậy mặc dù khi có ít người sử dụng tích cực trong kênh truyền nhưng điều khiển công suất không tốt thì tín hiệu của người dùng ở xa vẫn bị lấn áp, lượng nhiễu MAI tăng lên nhiều sẽ làm cho chất lương hệ thống bị ảnh hưởng bởi hiện tượng gần xa. Để khắc phục nhược điểm này, các phương pháp điều khiển công suất chặ chẽ đã dược áp dụng trong hệ thống thông tin trãi phổ hiện đại. Điều này làm tăng độ phức tạp của máy thu, chức năng này là không cần thiết đối với các hệ thống thông tin di động trước đó. Như vậy, vấn đề đặt ra là làm thế nào để triệt nhiễu đa truy cập MAI nhằm tăng dung lượng, chất lượng hệ thống và giãm bớt chức năng điều khiển công suất trong máy thu. Phần 1: Tổng quan về CDMA I. Lịch sử phát triển CDMA: Vô tuyến di động đã được sử dụng gần 78 năm. Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác đã được biết đến trước đây, dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lượi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980. Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này. (1) Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp. (2) Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xẩy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường pha đinh đa tia. (3) Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng. (4) Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cươ sở hạ tầng. (5) Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi. (6) Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác. Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz. Năm 1985 hệ thống số được quyết định. Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993. Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề dung lượng đã phát sinh ở các thị trư- ờng di động chính như: New York, Los Angeles và Chicago. Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được ký hiệu là IS- 54. Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hươn. Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA, AT &T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA. Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS - 136, còn được gọi là AMPS số (D-AMPS). Nhưng không giống như IS - 54, GSM đã đạt được các thành công ở Mỹ. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Được thành lập vào năm 1985, Qualcom đã phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS - 95 A. Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại Hàn Quốc và Hồng Kông. CDMA cũng đã được mua hoặc đưa vào thử nghiệm ở Argentina, Brasil, Chile, Trung Quốc, Germany, Irael, Peru, Philippins, Thailand và mới đây ở Nhật. Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam cũng đã có kế hoạch thử nghiệm CDMA. Ở Nhật vào năm 1993 NTT đưa ra tiêu chuẩn thông tin di động số đầu tiên của nước này: JPD (Japannish personal Digital Cellular System). Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) của Châu Âu và PHS (Personal Handy Phone System) của Nhật cũng đã được đưa vào thương mại. Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thôg tin di động vệ tinh: Global Star và Iridium cũng được đưa vào thương mại trong năm 1998. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Hiện nay có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W- CDMA và CDMA2000. W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và CDMA2000 được phát triển lên từ IS-95 thế hệ 2. Ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, đặc biệt là thông tin di động và truyền thông không dây. Kỹ thuật đa truy nhập đang bùng nổ. Số lượng người sử dụng mạng di động tăng vọt. Nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng, đặc biệt là các dịch vụ số liệu, kết nối Internet và multimedia. Hệ thống thông tin đi động tế bào đầu tiên được triển khai vào năm 1971 dùng kỹ thuật điều chế tương tự FM ở dải tần 850 MHz. Tương ứng là hệ thống AMPS của Mỹ ra đời vào năm 1983. Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở nhiều nước khác nhau: TACS, NMT, NAMPS … Tuy nhiên các hệ thống này đều không thỏa mãn được nhu cầu ngày càng tăng, trước hết là nhu cầu về dung lượng. Mặt khác, việc tồn tại nhiều tiêu chuẩn không tương thích với nhau làm cho liên lạc giữa các mạng cực kỳ khó khăn. Những hạn chế trên đã được đặt ra cho mạng di động tế bào thế hệ thứ hai phải giải quyết. Mạng di động thế hệ thứ hai ra đời, sử dụng kỹ thuật số thay vì kỹ thuật tương tự như trong thế hệ thứ nhất. Việc sử dụng công nghệ số giúp cho mạng thế hệ thứ hai bảo đảm chất lượng cao trong một môi trường nhiễu mạnh, có dung lượng lớn hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn, có nhiều dịch vụ hơn … Mạng thế hệ thứ hai được phát triển mạnh mẽ, trong đó nổi tiếng nhất và được sử dụng nhiều nhất là mạng GSM với khoảng 600 triệu thuê bao trên toàn thế giới. Hiện tại GSM vẫn đang là tiêu chuẩn được ứng dụng rộng khắp … Nhưng trong khi nhu cầu của người sử dụng ngày càng cao, thì hệ thống GSM vẫn còn nhiều hạn chế. Không hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao, không thể ứng dụng multimedia, dung lượng của mạng vẫn còn thấp . II. Các phương pháp đa truy cập : Công nghệ viễn thông phát triển đã kéo theo nhu cầu sử dụng các dịch vụ thông tin di động ngày càng tăng. Số người sử dụng thông tin di động và truyền thông không dây tăng vọt dẫn đến việc dùng chung, chia sẻ tài nguyên (các đường truyền vô tuyến vật lý) là một xu hướng tất yếu. Việc nhiều người sử dụng chung một đường truyền vô tuyến được gọi là đa truy cập. Có 3 phương pháp đa truy cập được sử dụng trong thông tin di động: đa truy cập phân chia theo tần số FDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, đa truy cập phân chia theo mã CDMA. 1. Đa truy cập phân chia tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access ) : Trong phương pháp này, băng tần của toàn bộ hệ thống bị chia thành nhiều phần nhỏ. Hệ thống gán cho mỗi người sử dụng một tần số khác nhau, mỗi kênh truyền là một tần số, có nghĩa là mỗi người sử dụng có một kênh truyền riêng. Hệ thống phân biệt tín hiệu của những người sử dụng khác bằng các kênh tần số khác nhau. Điều này làm cho hệ thống sử dụng phổ tần kém hiệu quả nhất, vì khi đang tiến hành cuộc gọi, không một người sử dụng nào khác có thể chia sẻ cùng một kênh tần số. Mỗi kênh trong hệ thống FDMA là một cặp tần số, tần số cao dành cho đường xuống, tần số thấp dành cho đường lên. Đặc điểm chính của hệ thống FDMA: - Một kênh FDMA chỉ mang một kênh thoại tại một thời điểm. - Khi kênh FDMA không được sử dụng, nó sẽ ở trong tình trạng rỗi, nhưng không một thuê bao nào khác có thể chia sẻ, sử dụng kênh tần số này. - Cuộc gọi được thu phát liên tục sau khi ấn định kênh thoại. - Băng thông của mỗi kênh hẹp (30KHz), do đó hệ thống FDMA là hệ thống băng hẹp. - Mức độ phức tạp của FDMA thấp hơn các hệ thống khác. - Do phân cách thuê bao bằng các tần số khác nhau, nên hệ thống cần rất ít thông tin cho mục đích đồng bộ. - Dung lượng của hệ thống nhỏ. Tuy nhiên có thể tăng dung lượng bằng cách sử dụng băng tần hẹp hơn thông qua cải tiến các kỹ thuật điều chế. - Sử dụng các bộ truyền song công do cả hai hướng thu và phát hoạt động cùng một lúc, dẫn đến tăng chi phí cho thiết bị. - Ảnh hưởng của nhiễu đối với hệ thống rất cao. Vì vậy phải sử dụng nhiều bộ lọc tần số. 2. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA ( Time Division Multiple Access ) : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA (time division multiple access) cũng chia nhỏ băng tần của mình thành nhiều kênh tần số khác nhau. Nhưng thời gian sử dụng kênh tần số được chia thành nhiều khe thời gian nhỏ hơn (ví dụ 8 khe trong GSM). Vì vậy, nhiều người có thể sử dụng chung một tần số. Khi đã sử dụng hết tất cả các khe thời gian trên một tần số thì người sử dụng tiếp theo sẽ được cấp phát một khe thời gian trên kênh tần số mới. Điều này làm tăng thêm hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống so với hệ thống FDMA. TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải được số hoá hoặc mã hoá, sau đó được lưu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian trống và khi đó mới phát đi. Do đó việc truyền dẫn tín hiệu là không liên tục và tốc độ truyền dẫn phải lớn hơn vài lần tốc độ mã hoá. Ngoài ra, do có nhiều thông tin hơn chứa trong cùng một dải thông nên thiết bị TDMA được sử dụng có kỹ thuật phức tạp hơn để cân bằng tín hiệu thu nhằm duy trì chất lượng tín hiệu. Nhiều người sử dụng trên một kênh tần số được ấn định khe thời gian khác nhau. Mỗi người chỉ có thể thu phát tín hiệu trong khe thời gian của mình. Mỗi kênh tần số cùng với một khe thời gian tạo thành một kênh truyền bên trong hệ thống. Trong TDMA, vì mỗi người sử dụng không truyền liên tục mà chỉ truyền trên khe thời gian nên hệ thống phải sử dụng tín hiệu số và điều chế số. Có hai dạng song công bên trong TDMA: song công theo tần số (FDD) và song công theo thời gian (TDD). FDD sử dụng các kênh có tần số khác nhau cho truyền và nhận. Ngược lại, trong TDD, một nửa thời gian được dành cho thu và một nửa còn lại dành cho việc phát tín hiệu. Đặc điểm chính của hệ thống TDMA: [...]... vùng mềm cho máy di động • Điều khiển công suất CDMA Hệ thống thông tin di động số CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều (từ máy di động MS đến trạm cơ sở BS và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao Bộ thu CDMA của BS truyền tín hiệu CDMA thu được từ máy di động tương ứng thành thông tin số băng hẹp Tín hiệu của các máy di động khác như... được là: m(t) = s(t- τ) + n(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} + n(t) Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm Tín hiệu r(t) tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) là: r(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} 2cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} = Ab(t- τ)p(t- τ) + Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ lại thành... hình (22) ta thấy hai đầu phát và thu đã được xác định và máy phát ở đường thông khác hoạt động như là một nguồn giao thoa khi đường thông đó được thiết lập Hơn nữa, sự khác nhau về khoảng cách giữa máy phát bên cạnh và máy phát thực hiện thông tin có thể gây ra nhiều vấn đề Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng giao thoa chấp nhận được của hệ thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ Do ảnh hưởng của khoảng.. .- TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một tần số, bằng cách chia khoảng thời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian không chồng lấp nhau, và mỗi người sử dụng một khe thời gian Số lượng khe tùy thuộc vào kỹ thuật điều chế, băng thông … - Việc truyền tín hiệu trong TDMA di n ra không liên tục mà thành từng cụm nhỏ Vì vây, máy di động có thể giảm bớt năng lượng... thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một dãy thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m > 0 g(x) = gmxm + gm-1xm-1 + gm-2xm-2 + + g1x + go (2.8) Đối với chuỗi cơ số hai có giá trị {0,1} , gi bằng 0 hoặc 1và gm = g0 = 1 Đặt g(x) = 0, ta được sự hồi quy sau: 1 = go+ g1x + g2x2 + + gm-2xm-2 + gm-1xm-1 + xm (2.9) Với xk thể hiện... phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t) Sau đó, thành phần này được nhân với mã nội tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p2(t- τ) = b(t- τ) Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm Bản tin phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ... Theo cách như vậy mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể Can nhiễu bổ xung này làm hạn chế dung lượng, nhưng vì phân bố tiềm năng thời gian và dải thông không bị hạn chế cho nên dung lượng cũng lớn hơn đáng kể so với các hệ thống TDMA và FDMA Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (code division multiple access) không phân chia... hiệu quả phổ tần hơn các hệ thống FDMA và TDMA - Hệ thống có tính bảo mật cao - Cho phép cấp phát tài nguyên mềm dẻo Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ có tốc độ khác nhau Phần 2 : Kỹ Thuật trãi phổ CDMA trong thông tin di động I Nguyên lý trãi phổ : 1) Nguyên lý chung: Nguyên lý trải phổ là cung cấp tất cả các tiềm năng tần số và thời gian đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê... trong các hệ thống thông tin trải phổ Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao • Kỹ thuật DS/SS – BPSK Quá trình trải phổ tín hiệu tin được minh hoạ như hình vẽ sau: Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit R b = 1/Tb được mã hoá theo NZR sao cho b(t)= ±1 Ta có thể biểu di n b(t) như sau: b(t) = Σb ∞∞=kk ΠT(t-kT) Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng... tiêu hao cho việc thu phát tín hiệu, dẫn đến thời gian sử dụng acquy tăng lên - Trong các khe thời gian rỗi, máy di động đo đạc mức công suất của các trạm phát khác - TDMA cần nhiều thông tin cho quá trình đồng bộ ban đầu hơn FDMA do chế độ truyền không liên tục và chia khe thời gian - Có thể cấp phát băng tần theo yêu cầu thông qua việc ấn định nhiều kênh cho một người sử dụng để tăng tốc độ của dịch . nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát. viễn thông về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang tiến tới thế hệ thứ ba. Hiện nay có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W- CDMA và CDMA2 000. W -CDMA. các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ