107 Trang 7 Thuật ngữ viết tắt2G 2th Generation Thụng tin di động thế hệ thứ 2 3G 3Th Generation Thụng tin di động thế hệ thứ 3 AC Admission Control Điều khiển cho phộp ACCH associated
Hệ thống thông tin di động và xu thế phát tri ển
Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Thông tin di động bắt đầu phát triển vào cuối những năm 70, với hệ thống thử nghiệm AMPS được triển khai tại Chicago vào năm 1978, hoạt động ở băng tần 800 MHz Năm 1985, Anh quốc giới thiệu công nghệ TACS, phiên bản sửa đổi của AMPS, hoạt động ở băng tần 900 MHz Châu Âu phát triển hệ thống NMT ở băng tần 450 MHz, sau đó nâng cấp thành NMT900 ở băng tần 900 MHz Các hệ thống di động thế hệ thứ nhất chủ yếu phục vụ thoại và sử dụng kỹ thuật tương tự Đến năm 1990, thị trường thông tin di động đã có gần 20 triệu thuê bao.
Thông tin di động đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, dẫn đến sự ra đời của thế hệ thứ hai nhằm nâng cao chất lượng truyền sóng và mở rộng vùng phát sóng Bên cạnh thoại vô tuyến, nhu cầu truyền dữ liệu như fax, tin nhắn và các loại dữ liệu khác cũng gia tăng đáng kể Thế hệ thứ hai bao gồm các công nghệ như GSM, AMPS số (D-AMPS), CMDA và PDC Trong đó, hai công nghệ nổi bật nhất là IS-95 CDMA và GSM (Hệ thống Toàn cầu về Truyền thông Di động), mỗi công nghệ đều phát triển theo những hướng khác nhau.
Mạng di động GSM, một tiêu chuẩn thông tin di động được ETSI phát triển từ những năm 1990, đã nhanh chóng phát triển tại Châu Âu và Châu Á, đạt 250 triệu thuê bao vào năm 1992 với 140 quốc gia và 400 mạng Công nghệ GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian, trong đó mỗi sóng mang được chia thành 8 khe thời gian, giúp mỗi thuê bao di động trong ô được cấp một khe để liên lạc Độ rộng băng tần của một sóng mang theo chuẩn GSM là 200 KHz, và mỗi trạm thu phát BTS có thể sử dụng một hoặc nhiều sóng mang Dải tần của GSM được phân bổ ở các tần số 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz.
Một số ưu thế mà thế hệ hai cộng GSM đạt được:
Các dịch vụ mới đang được cải thiện trong lĩnh vực truyền số liệu, bao gồm nén số liệu của người sử dụng, chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) và dịch vụ vô tuyến gói đa năng (GPRS), với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 14.4Kbps.
Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại bao gồm việc phát triển Codec tiếng toàn tốc cải tiến (EFC: Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng, và khai thác tự do đầu cuối các Codec tiếng.
- Các dịch vụ bổ sung như: chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ cấm gọi mới
- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS: Short
Massage Service) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS
- Các công việc liên quan tới tính cước như: các dịch vụ trả tiền trước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình
- Tăng cường công nghệ SIM
Hệ thống CDMA đã đạt được nhiều thành công lớn, đặc biệt trong công nghệ truyền tải thông tin người dùng CDMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ một tần số cùng lúc, nhưng điều này có thể gây nhiễu lẫn nhau Để tách tín hiệu của từng người dùng, mỗi tín hiệu được điều chế bằng một chuỗi mã duy nhất với tốc độ bít cao hơn nhiều so với thông tin gửi đi Tại đầu thu, thông tin về chuỗi mã này cho phép giải mã tín hiệu tương ứng, tạo nên một kỹ thuật tiên tiến với nhiều ưu điểm, đặc biệt là tính bảo mật cao.
Hiện nay, hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động của Việt Nam như VinaPhone, MobilePhone, Viettel đều sử dụng công nghệ GSM
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và nhu cầu ngày càng cao từ người dùng, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai đã bộc lộ nhiều hạn chế Để khắc phục điều này, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã đề xuất tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, IMT-2000, nhằm đáp ứng các yêu cầu mới trong lĩnh vực viễn thông.
• Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như Internet và các dịch vụ đa phương tiện
• Linh hoạt để đảm bảo có khả năng cung cấp các dịch vụ mới, mở rộng lhả năng thông tin của các hệ thống thông tin di động
• Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển lien tục của thong tin di động
Thông tin di động thế hệ ba sẽ cung cấp dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện, thay thế hộp thư thoại bằng bưu thiếp điện tử tích hợp hình ảnh Các cuộc thoại thông thường sẽ được nâng cấp với hình ảnh, tạo ra trải nghiệm thoại có hình Để đáp ứng nhu cầu này, cần có băng thông dữ liệu lớn hơn, chất lượng cuộc gọi tốt hơn, và đa dạng hóa các dịch vụ đa phương tiện, đồng thời phục vụ nhiều thuê bao hơn.
Tốc độ truy cập cao là yêu cầu thiết yếu để đảm bảo các dịch vụ băng thông rộng như Internet và các dịch vụ đa phương tiện Hệ thống cần linh hoạt để có khả năng cung cấp các dịch vụ mới và mở rộng khả năng thông tin cho các hệ thống thông tin di động, đồng thời phải tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện tại như cdma2000 và ARIB.
Hệ thống 2G IS-95/ cdmaOne PDC GSM IS-136
Giao diện vô tuyến 3G cdma2000 W-CDMA UTRA (WCDMA/
IS-136+/ 136- HS/ 136+HS Giao diện mạng 3G
Các cơ quan tiêu chuẩn
TIA TR-45 (được CDG hỗ trợ)
TIA TR-45 (được UWCC hỗ trợ)
Bảng 1.1 Các đề xuất IMT-2000.
Hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận là những tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba WCDMA phát triển từ các hệ thống di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM và PDC, trong khi CDMA2000 là sự tiến hóa của các hệ thống di động thế hệ thứ hai dựa trên công nghệ CDMA như IS-95.
Hệ thống thông tin di động GSM
Hệ thống GSM gồm hai phần chính: Hệ thống chuyển mạch (SS) và Hệ thống trạm gốc (BSS) Mỗi phần được chia thành các khối chức năng riêng biệt, với mỗi khối thực hiện một hoặc nhiều chức năng cụ thể Trong phần BSS, các thành phần chính bao gồm BTS, BSC và TRAU, trong khi phần SS bao gồm các khối chức năng còn lại.
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của GSM
VLR: (Visitor Location Register) HLR:
Hệ thống chuyển mạch Trung tâm nhận thực
Bộ ghi định vị tạm trú
Bộ ghi định vị thường trú
Bộ nhận dạng thiết bị
MS: (Mobile Station) Máy di động
OSS: (Operation and Support System)
PSPDN: (Packet Switching Public Digital
CSPDN: (Circuit Switching Public Digital
PLMN: ( Public Land Mobile Network)
Hệ thống trạm gốc Trạm thu phát gốc
Bộ điểu khiển trạm gốc Máy di động
Hệ thống khai thác và hỗ trợ bao gồm các mạng số tổ hợp đa dịch vụ, mạng chuyển mạch gói công cộng, mạng chuyển mạch kênh công cộng và mạng chuyển mạch thoại công cộng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính linh hoạt trong việc cung cấp dịch vụ viễn thông hiện đại.
Mạng di động mặt đất công cộng
Hệ thống thông tin di động bao gồm các ô (tế bào), mỗi ô được điều khiển bởi một trạm thu phát gốc (BTS) BTS hoạt động trên một hoặc một nhóm kênh vô tuyến, được phân bổ khác nhau để tránh giao thoa Nhiệm vụ chính của BTS là thu phát tín hiệu từ và tới thiết bị di động (MS), đồng thời quản lý việc tìm kiếm cuộc gọi và các yêu cầu cấp kênh vô tuyến.
MS MS có thể di chuyển giữa các cell và nó đwược chuyển giao để tránh làm gián đoạn cuộc gọi
Bộ điều khiển trạm gốc (BSC) có vai trò quan trọng trong việc quản lý nhiều trạm phát sóng di động (BTS) BSC thực hiện các chức năng thiết yếu như chuyển giao cuộc gọi, điều khiển công suất, quản lý tìm kiếm cuộc gọi và phân bổ kênh vô tuyến cho thiết bị di động (MS).
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động (MSC) là thành phần quan trọng trong hệ thống viễn thông, điều khiển nhiều BSC và quản lý các cuộc gọi từ và tới máy di động (MS) Các MSC với chức năng cổng (Gateway MSC) kết nối mạng di động với các mạng bên ngoài như ISDN và PSTN, đảm bảo liên lạc thông suốt giữa các mạng.
Để duy trì kết nối liên lạc cho thiết bị di động (MS) đang di chuyển, hệ thống cần một bộ phận cập nhật vị trí của MS liên tục Dữ liệu về MS được lưu trữ trong bộ định vị thường trú (HLR), nơi chứa thông tin về dịch vụ, thông số nhận thực và vị trí của thuê bao Khi MS di chuyển, nó sẽ gửi thông tin vị trí về HLR Khi một thuê bao khác muốn gọi đến MS, hệ thống di động sẽ truy vấn HLR để xác định vị trí hiện tại của MS, từ đó thiết lập kết nối giữa hai thuê bao.
AUC kết nối với HLR để cung cấp thông tin nhận thực và các khóa mật mã cần thiết cho bảo mật Chức năng chính của AUC là hỗ trợ HLR trong việc đảm bảo an toàn thông tin.
MSC kết nối với bộ ghi định vị tạm trú (VLR), một cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS trong vùng phục vụ của MSC Khi MS vào vùng phục vụ của MSC mới, VLR sẽ gửi yêu cầu thông số của MS tới HLR, và HLR sẽ cung cấp các thông số này cho VLR Đồng thời, VLR cũng thông báo cho HLR về vị trí hiện tại của MS Khi MS thực hiện cuộc gọi, VLR đã có đủ thông số cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần qua HLR, do đó VLR có thể coi như một HLR tạm thời Vì dung lượng trao đổi thông tin giữa MSC và VLR lớn, hai khối này thường được đặt cùng một vị trí hoặc tích hợp thành một thiết bị.
Mỗi máy di động (MS) được xác định bởi một SIM (Subscriber Identity Module) kết hợp với thiết bị trạm ME (Mobile Equipment) Hệ thống đăng ký liên quan đến MS thực chất là đăng ký qua SIM, cho phép thuê bao sử dụng SIM của mình để kết nối với bất kỳ ME nào khác Để ngăn chặn tình trạng mất cắp máy di động, hệ thống di động sử dụng bộ nhận dạng thiết bị EIR để quản lý ME, trong đó mỗi ME có một số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI Thông số IMEI này được đăng ký và kiểm soát qua EIR, cho phép EIR cấm các thiết bị không được khai báo kết nối với hệ thống EIR được kết nối với MSC thông qua một đường báo hiệu.
Khi một thuê bao cố định thuộc mạng PSTN muốn gọi đến một thuê bao di động, cuộc gọi sẽ được chuyển đến một GMSC GMSC sẽ xác định vị trí của thuê bao di động bằng cách truy vấn HLR nơi thuê bao đó đăng ký HLR sẽ cung cấp thông tin về MSC/VLR mà thuê bao di động đang hoạt động Dựa trên thông tin này, GMSC sẽ định tuyến cuộc gọi đến MSC quản lý thuê bao MSC tiếp theo sẽ hỏi VLR của nó để xác định vị trí cụ thể của thuê bao và sau đó yêu cầu BSC trong vùng đó phát thông báo tìm kiếm thuê bao di động.
Hệ thống thông tin di động 3G phát triển từ GSM
Quá trình phát triển của GSM diễn ra theo từng giai đoạn Giai đoạn 1 của GSM – GSM900, được ETSI hoàn thiện vào năm 1990, cung cấp đầy đủ các tính năng của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai, bao gồm các dịch vụ viễn thông cơ bản như thoại, tin nhắn và truyền dữ liệu với tốc độ 9,6 kbps Đến năm 1996, ETSI đã triển khai Giai đoạn 2, trong đó có một số kỹ thuật tương thích với thế hệ thứ ba.
Phase 2 đã bước đầu đưa vào những thuộc tính cơ bản của 3G như mạng thông minh IN (Intelligent network), các dịch vụ với ứng dụng mới theo yêu cầu (CAMEL), bộ mã hóa tiếng nói cải tiến (CODEC), kỹ thuật mã hóa toàn tốc cải tiến EFR (Enhanced Full Rate), kỹ thuật mã hóa đa tốc tương thích AMR (Adaptive multirate), các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao như HSCSD, GPRS, EDGE
Và tại IMT-2000, chuẩn UMTS đã được coi là người kế thừa của GSM và tương thích hoàn toàn với GSM
Theo tiêu chuẩn IMT-2000, công nghệ WCDMA sẽ được áp dụng trong UMTS, cho phép triển khai nhiều ứng dụng hơn so với hệ thống GSM hiện tại với sự nâng cấp đáng kể UMTS đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các ứng dụng Internet cho thuê bao, cung cấp băng thông lên tới 2M cho mỗi thuê bao, giúp thực hiện cuộc gọi và các dịch vụ toàn cầu.
Hình 1.2 Con đường phát triển từ GSM lênUMTS
UMTS sẽ giới thiệu giao diện vô tuyến mới mang tên UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) và áp dụng kỹ thuật W-CDMA Ngoài ra, UTRA còn hỗ trợ các kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian và tần số.
Kết luận
Hệ thống thông tin di động đã trải qua sự phát triển từ thế hệ thứ nhất đến thứ ba, với yêu cầu chuyển đổi sang hệ thống thế hệ thứ ba ngày càng cấp thiết do nhu cầu về chất lượng và dịch vụ mới GSM được xem là hệ thống phát triển nhanh nhất, trong khi UMTS là người kế thừa của GSM Chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu hệ thống UMTS trong chương tiếp theo.
Truy nhập vô tuyến hệ thống UMTS
Kỹ thuật đa truy nhập
Các hệ thống vô tuyến sử dụng sóng điện từ trường làm tài nguyên chung, thường gắn liền với phổ Việc nhiều người cùng chia sẻ nguồn tài nguyên này có thể dẫn đến tranh chấp Tuy nhiên, các kỹ thuật đa truy nhập có thể giúp giảm thiểu tình trạng tranh chấp về tài nguyên dùng chung.
2.1.1 Kỹ thuật đa truy nhập băng hẹp
Hai kỹ thuật truy nhập băng hẹp cơ bản là TDMA (Time Division Multi-Access) và FDMA (Frequency Division Multi-Access) TDMA phân chia người dùng theo thời gian, trong khi FDMA phân chia theo tần số.
Kỹ thuật TDMA phân chia tài nguyên vô tuyến thành các khe thời gian, cho phép người dùng khác nhau sử dụng tài nguyên trong các khe thời gian riêng biệt Ngược lại, kỹ thuật FDMA phân chia phổ thành nhiều kênh vô tuyến, mỗi kênh được đặc trưng bởi một tần số riêng, và mỗi người dùng sẽ sử dụng một kênh trong suốt thời gian truyền tải thông tin Ưu điểm của FDMA là sự đơn giản và hiệu quả trong mã hóa, nhưng nhược điểm là tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp và tốc độ thông tin cố định, không linh hoạt Trong khi đó, TDMA cung cấp dịch vụ với tốc độ thông tin linh hoạt hơn nhờ việc sử dụng một hoặc nhiều khe thời gian, và cho phép xử lý tín hiệu báo hiệu nhờ vào các khe thời gian được ghép lại thành khung Tuy nhiên, kỹ thuật này yêu cầu khả năng xử lý cao và cần lọc đồng bộ thông tin giữa các khe thời gian.
Kỹ thuật TDMA/FDMA kết hợp để tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến, phân chia băng thông thành nhiều kênh và khe thời gian Mỗi người dùng sẽ sử dụng các khe thời gian và tần số khác nhau, giúp nâng cao hiệu suất truyền thông Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong hệ thống thông tin GSM.
Hình 2.1 TDMA, FDMA và CDMA
2.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập băng rộng
Kỹ thuật đa truy nhập băng rộng đã khắc phục những nhược điểm và giới hạn của kỹ thuật đa truy nhập băng hẹp Trong phương pháp này, toàn bộ băng thông được phân bổ cho người dùng, bất chấp việc băng thông đó có lớn hơn mức tối thiểu cần thiết để truyền thông tin hay không Đây là đặc trưng nổi bật của kỹ thuật CDMA, tức là phân chia theo mã.
Kỹ thuật CDMA cho phép nhiều người dùng sử dụng cùng một tần số và thời điểm bằng cách gán mã khác nhau cho mỗi người Thông tin người dùng được mã hóa duy nhất thông qua các mã này, giúp phân biệt giữa các người dùng Tài nguyên chính trong CDMA là các mã, và tín hiệu của người dùng sẽ được nhân với mã đặc biệt tương ứng Quá trình này, gọi là trải phổ, sử dụng tốc độ mã (tốc độ chip) cao hơn nhiều so với tốc độ thông tin Các bit sau khi trải phổ được gọi là chips, và các mã được chọn sao cho có ít sự tương quan, giúp quá trình giải trải phổ loại bỏ nhiễu và thu nhận tín hiệu chính xác.
Hệ thống UMTS áp dụng công nghệ CDMA, một phương pháp cải tiến từ CDMA, mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với GSM Các đặc điểm nổi bật của WCDMA bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu nhanh hơn, độ phủ sóng rộng hơn và hiệu suất sử dụng phổ tần tốt hơn.
• Tốc độ bit có thể đạt được 2 Mbps
• Tốc độ bit thay đổi tuỳ theo yêu cầu độ rộng băng thông
• Các dịch vụ có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau có thể ghép được lên trên một kết nối, như thoại, video, và dữ liệu gói
• Trễ được xử lý động từ các yêu cầu dịch vụ thoại với thời gian thực tới các dịch vụ chuyển mạch gói
• Yêu cầu chất lượng dịch vụ trong một khoảng rộng, từ 10% FER tới 10 -6 BER
• Khả năng đồng qui hoạch với các hệ thống 2G và chuyển giao giữa chúng giúp cho việc mở rộng vùng phủ sóng và chia tải
Hệ thống hỗ trợ lưu lượng không đối xứng giữa đường lên và đường xuống, đặc biệt khi sử dụng dịch vụ trình duyệt web, trong đó lưu lượng đường xuống thường cao hơn lưu lượng đường lên.
• Hiệu quả sử dụng phổ cao
• Khả năng đồng qui hoạch giữa FDD và TDD
Bảng 2.1 cho thấy sự khác biệt chính giữa hai hệ thống GSM và WCDMA, trong đó WCDMA nổi bật với tốc độ bit dữ liệu cao và khả năng linh hoạt đáp ứng nhu cầu dịch vụ thoại cũng như các dịch vụ đa phương tiện như duyệt web và dịch vụ số khác Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ WCDMA còn có hệ số sử dụng lại tần số là 1, điều mà hệ thống di động thế hệ thứ 2 GSM không thể đạt được.
Khoảng cách giữa các sóng mang
Hệ số sử dụng lại tần số
1 1-18 Điều khiển chất lượng dịch vụ
Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến
Quy hoạch mạng( thiết kế tần số)
Tính đa dạng của tần số
5 MHz độ rộng băng cho phép đa dạng tần số dựa vào các bộ thu RAKE
Dữ liệu gói Dựa trên tải Các TS được ấn định cho các dịch vụ này với GPRS Phân tập phát Hỗ trợ để tăng lưu lượng đường xuống
Không hỗ trợ bởi chuẩn
Bảng 2.1 Sự khác nhau giữa W-CDMA và GSM
Khoảng cách giữa các sóng mang
Tốc độ chip 3.84Mcps 1.2288 Mcps
Tần suất điều khiển công suất
1500 Hz cho cả đường lên và xuống Đường lên là 800 Hz, cón đường xuống điều khiển chậm Đồng bộ BS Không yêu cầu Yêu cầu
Chuyển giao giữa các tần số
Hỗ trợ Có thể nhưng không được chuẩn hoá
Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả
Hỗ trợ Không yêu cầu do chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại
Dữ liệu gói D ựa vào tải Truyền dẫn dữ liệu gói như các cuộc gọi ngắn
Phân tập phát Hỗ trợ để tăng lưu lượng đường xuống
Không hỗ trợ bởi chuẩn
Bảng 2.2 So sánh giữa W-CDMA và CDMA 2.1.2.1 Kỹ thuật trải phổ và điều chế
Nguyên tắc của trải phổ và điều chế được thể hiện qua hai phần chính: phần phát và phần thu Phần phát bao gồm bộ điều chế và quá trình trải phổ Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế tín hiệu cơ sở băng hẹp S_n với độ rộng băng W_i, tạo ra dãy tín hiệu cơ sở n bit thành các khối dấu hiệu dài 2n bit, giữ nguyên băng tần của tín hiệu ban đầu Tiếp theo, quá trình trải phổ chuyển đổi tín hiệu băng hẹp thành tín hiệu băng rộng, với độ rộng W_c lớn hơn W_i rất nhiều, thông qua việc nhân tín hiệu thông tin.
Hình 2.2.Nguyên tắc chung của trải phổ và điều chế
Tín hiệu đã được trải phổ được ký hiệu là s W, với quá trình trải phổ được biểu thị bằng ε() Khi tín hiệu được truyền qua kênh truyền dẫn, nó sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và tạp âm, ký hiệu là i(t) và n(t) Một điểm quan trọng cần lưu ý là dải thông để truyền tín hiệu lớn hơn rất nhiều so với dải thông cần thiết.
Độ lợi xử lý (Processing Gain - PG) được định nghĩa là tỷ số giữa độ rộng băng tần của bộ diều chế và độ rộng băng tần của tín hiệu cần truyền.
Ta thường biểu diễn PG theo dB = 10lg(PG) [dB]
Do WC lớn hơn Wi nhiều lần, dải thông truyền tín hiệu thực tế rất lớn Giá trị của P có thể dao động từ vài lần đến hàng trăm lần.
Hệ số trải phổ (Spreading Factor) được định nghĩa là tỷ số giữa số lượng chip được đưa vào bộ trải phổ và một bit thông tin thực tế Trong hệ thống UMTS, hệ số này tỷ lệ thuận với độ dài của chuỗi số được sử dụng để phân biệt các thuê bao.
Cần phân biệt giữa độ lợi xử lý PG và hệ số trải phổ SF Hệ số trải phổ chỉ liên quan đến quá trình trải phổ, tức là nhân tín hiệu thông tin với một chuỗi bit duy nhất để phân biệt người dùng Ngược lại, độ lợi xử lý PG bao gồm cả các quá trình xử lý tín hiệu từ thông tin đầu vào băng hẹp đến tín hiệu băng rộng phát ra trên anten Các thông tin như mã sửa lỗi và thuật toán điều chế tín hiệu cũng nằm trong độ lợi xử lý PG Độ lợi xử lý liên quan đến khả năng giảm nhiễu của kỹ thuật CDMA, trong khi hệ số trải phổ ảnh hưởng đến số chuỗi số dùng để phân biệt thuê bao, từ đó tác động đến số thuê bao tối đa có thể phục vụ Hệ thống trải phổ với hệ số trải phổ lớn sẽ có khả năng lọc nhiễu cao hơn Trong WCDMA, W c là 3,84 Mcps và độ rộng băng tần là 5 MHz.
Hình 2.3 Sơ đồ khối khối trải phổ và giả trải phổ
Các hệ thống trải phổ
There are three basic spread spectrum systems: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), and Time Hopping Spread Spectrum (THSS) Additionally, these spread spectrum systems can be combined to create hybrid spread spectrum systems Among these, the Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) is widely used in mobile communications.
Trong hệ thống DSSS, tín hiệu trải phổ qua hai bước: đầu tiên, tín hiệu được điều chế với băng tần cơ sở, sau đó trải phổ thành tín hiệu băng rộng bằng cách nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip lớn hơn nhiều so với tốc độ tín hiệu cơ sở Để phục vụ số lượng thuê bao lớn trong hệ thống di động thế hệ thứ ba, quá trình trải phổ được thực hiện thông qua việc nhân tín hiệu với mã định kênh dựa trên kỹ thuật OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) từ ma trận mã Hadamard Các mã định kênh này đảm bảo tính trực giao về mặt pha, tối ưu hóa số lượng thuê bao Cuối cùng, tín hiệu được nhân với dãy giả ngẫu nhiên, giúp tín hiệu có phổ phẳng, không có điểm lồi lõm.
Trong hệ thống DSSS, bộ thu RAKE giúp loại bỏ nhiễu do fading, cho phép cải thiện khả năng chống nhiễu vượt trội so với các hệ thống FDMA và TDMA Điều này không chỉ nâng cao quy hoạch tần số mà còn giảm thiểu nhiễu giữa các cell lân cận, cho phép chúng chia sẻ tần số một cách hiệu quả Hơn nữa, DSSS tối ưu hóa việc truyền thoại, mang lại lợi thế so với FDMA và TDMA Để tận dụng ưu điểm của các phương thức đa truy nhập như TDMA, FDMA và CDMA, các phương pháp lai đã được phát triển Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về WCDMA và TD/CDMA, hai phương thức đa truy nhập được ETSI khuyến nghị cho hệ thống UMTS.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ WCDMA với hai chế độ chính: chế độ ghép song công chia theo tần số (FDD) và chế độ ghép song công phân chia theo thời gian (TDD).
Phương pháp FDD là phương pháp phổ biến nhất trong các hệ thống di động tổ ong, yêu cầu băng tần tách biệt cho đường lên và đường xuống Ngược lại, TDD sử dụng chung một băng tần số, luân phiên thay đổi phương truyền theo thời gian Chế độ ghép song công TDD cho phép hoạt động trên một tần số duy nhất, trong khi FDD cần hai tần số khác nhau Sự khác biệt này giúp nhà cung cấp linh hoạt hơn trong việc sử dụng tài nguyên tần số, điều này đặc biệt quan trọng khi tài nguyên tần số ngày càng hạn chế TDD mang lại lợi ích cho nhà cung cấp bằng cách giảm thiểu nhu cầu sử dụng băng tần số.
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD.
Phương pháp đa truy nhập
Phương pháp song công TDD FDD
Cấu trúc thời gian 10 ms
Khái niệm đa tốc độ Đa mã, đa khe thời gian và hệ số trải phổ khả biến OVSF Đa mã và OVSF Điều chế QPSK
Dạng cụm Ba kiểu: Lưu lượng, truy nhập ngẫu nhiên và đồng bộ
Chuyển giao bên trong tần số
Chuyển giao cứng Chuyển giao mềm
Bảng 2.2 So sánh đặc điểm chính giữa UTRA TDD và FDD
Trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), quá trình truyền tín hiệu được chia thành các khoảng thời gian nhỏ, được gọi là khe thời gian.
Khác với công nghệ GSM, mỗi khe thời gian trong hệ thống không chỉ dành riêng cho một kênh truyền mà có thể phục vụ nhiều kênh đồng thời nhờ vào công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã Theo lý thuyết, số kênh truyền tối đa có thể sử dụng được tính bằng số khe thời gian nhân với số mã định kênh tối đa, từ đó làm tăng dung lượng của hệ thống.
Hình 2.7 Dải tần số của GSM, UMTS
Băng tần dành cho FDD nằm trong khoảng 1920-1980 MHz cho đường lên và 2110-2170 MHz cho đường xuống Trong khi đó, băng tần TDD sử dụng từ 1900-1920 MHz và 2010-2025 MHz cho cả hai hướng Ngoài ra, các dải tần số 1980-2010 MHz và 2170-2200 MHz được sử dụng cho thông tin vệ tinh.
Trong hệ thống này, tỷ lệ giữa tốc độ chip và tốc độ bit thông tin của kênh đường xuống được duy trì ổn định, trong khi kênh đường lên có thể thay đổi linh hoạt Để thiết lập kênh truyền với các tốc độ khác nhau, cần xây dựng một loạt kênh tốc độ cơ bản và xác định tốc độ giới hạn cho các kênh chia sẻ tần số và hoạt động đồng thời.
Phương thức TDD thường áp dụng cho các hệ thống cung cấp dịch vụ không đối xứng, trong đó một hướng truyền dữ liệu có tốc độ cao hơn hướng còn lại Ví dụ, có thể phân bổ một số khe thời gian cho việc truyền theo một hướng và sử dụng các khe thời gian còn lại cho hướng ngược lại.
Dung lượng của mạng WCDMA
Công nghệ WCDMA sử dụng các mã định kênh riêng biệt để phân biệt người dùng, với các mã này hoàn toàn trực giao nhằm loại bỏ nhiễu giữa các tín hiệu Tuy nhiên, quá trình truyền sóng làm giảm tính trực giao của các chuỗi mã, dẫn đến việc số lượng mã sử dụng bị giới hạn Để tăng dung lượng mạng, có thể tăng số lượng chuỗi mã, nhưng điều này sẽ làm giảm tính trực giao và không thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu, gây suy giảm chất lượng đàm thoại Mặc dù có thể sử dụng thêm mã cho đến khi mức nhiễu đạt ngưỡng nhất định, hệ thống CDMA cho phép tạm thời tăng dung lượng mạng, đặc biệt trong các cuộc gọi khẩn cấp Điều này tạo ra sự khác biệt so với các hệ thống trước, nơi dung lượng mạng bị hạn chế hoàn toàn bởi số tần số sử dụng.
Một phương pháp để giảm nhiễu là tăng cường công suất phát, giúp cải thiện mức tín hiệu thu Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến hiệu ứng gần xa, trong đó một thuê bao gần trạm thu phát có thể phát ở mức công suất tối đa mà không được đánh giá chính xác Hệ quả là mức tín hiệu thu tại trạm sẽ cao hơn so với các thuê bao ở xa, do tín hiệu của chúng bị suy giảm trong quá trình truyền sóng.
Việc điều chỉnh công suất phát để đảm bảo tất cả các tín hiệu từ đường lên được thu tại trạm thu phát ở cùng một mức là rất quan trọng và có thể thực hiện thông qua thuật toán điều khiển công suất Thực tế cho thấy, việc điều khiển công suất hiệu quả có thể nâng cao đáng kể dung lượng mạng Điều này đặc biệt quan trọng ở đường lên, nơi nhiều thuê bao đồng thời gửi tín hiệu đến một trạm thu phát, và nhiễu phát sinh phụ thuộc vào khoảng cách đến trạm Ngược lại, điều khiển công suất ở đường xuống ít quan trọng hơn, vì chỉ có trạm thu phát phát tín hiệu liên tục cho tất cả các thuê bao.
Dung lượng mạng WCDMA cần được xây dựng dựa trên việc đánh giá chính xác mức nhiễu Thông số C/I (carrier/interference) đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá dung lượng của hệ thống mạng.
Trong một cell, việc điều khiển công suất chính xác đảm bảo rằng tín hiệu thu được từ tất cả các thuê bao đều đồng nhất Giả sử có N thuê bao trong cell, với C là giá trị hiệu dụng thu được, thì (N-1) thuê bao còn lại sẽ tạo ra nhiễu cho thuê bao chính, dẫn đến mức nhiễu là C(N-1) Tỷ số C/I được tính dựa trên mức độ nhiễu này.
Để đảm bảo chất lượng dịch vụ, giá trị C/I cần lớn hơn một ngưỡng xác định Thường thì, tại đầu phát, tỷ số Eb/I0 được sử dụng để đánh giá mức tín hiệu đầu ra, phản ánh tỷ lệ giữa năng lượng cho bit thông tin và mật độ phổ của nhiễu, giả định rằng nhiễu tạp âm bằng 0.
Với W là tốc độ của chip, R là tốc độ bit thông tin Chú ý là W/R chính là độ lợi xử lý PG
Từ biêt thức trên ta có thể tính số thuê bao có thể phục vụ trong cell là:
Số thuê bao do đó sẽ phụ thuộc vào hai yếu tố: độ lợi xử lý PG và tỷ số
Quá trình xử lý tín hiệu thông tin kết hợp với chuỗi bit định kênh là yếu tố quan trọng, vì không có tín hiệu thông tin, tín hiệu vô tuyến sẽ không phát ra Hệ số sử dụng (d