Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Viện đại học mở hà nội Khoa công nghệ Điện tử -thông tin Đồ án tốt nghiệp Khoá 2005 2008 / Hệ cao đẳng quy 2008 / Hệ cao đẳng quy Đề tài : Hệ Thống Thông Tin Di Động-CDMA2000 Thầy hớng dẫn : TS Nguyễn Vũ Sơn Sinh viên thực : Trần Thị Oanh Lớp : CĐ2B Hà Nội 10/ 2008 Mục lục Viện đại học mở hà nội Lêi nói đầu Giíi thiƯu .6 Phần I công nghệ gsm Hệ thống ttdđ hệ Chơng 1: C«ng nghƯ GSM .8 I Tỉng quan vỊ m¹ng GSM II Lịch sử mạng GSM III Giao tiÕp RADIO IV.CÊu tróc m¹ng GSM : 10 Ch¬ng 2: Tổng Quan hệ thống thông tin di động thÕ hÖ 15 TRẦN THỊ OANH- LỚP CĐ2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Hnh trình từ mạng thông tin di động 2G lên 3Gnh trình từ mạng thông tin di động 2G lên 3G 15 Yêu cầu chung hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ 16 HƯ thèng th«ng tin di động cdma2000 Công ty S-phone: 18 Phần II: c«ng nghƯ cdma2000 .21 Chơng Hệ thống thông tin di động cdma2000 21 Nguyên lý CDMA kü tht tr¶i phỉ .21 1.1 Nguyªn lý CDMA 21 1.2 Các kỹ thuật trải phổ tín hiệu 24 1.2.1 Kü thuËt tr¶i phỉ d·y trùc tiÕp DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) 24 1.2.1.1 Tr¶i phỉ d·y trùc tiÕp kiĨu BPSK 24 1.2.1.2 Tr¶i phỉ d·y trùc tiÕp kiĨu QPSK 27 1.2.2 Ký thuật trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 30 CDMA 2000 31 2.1 Thế hệ 3G 31 2.2 Kiến trúc giao thức: 32 Các thành phần khác kiến trúc giao thức 33 Tốc độ trải phổ .35 chơng 2: chức vận hành 37 I ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 37 Giới thiệu 37 Điều khiển công suất đường xuống: 37 2.1 Vịng (Inner Loop) vịng ngồi (Outer Loop): 37 2.2 Điều khiển công suất đa kênh lưu lượng hướng xuống 39 Điều khiển công suất đường lên: Vòng hở .41 3.1 Diều khiển công suất đa kênh hướng lên 41 3.1.1 Kênh truy nhập tăng cường (R-EACH) 41 3.1.2 Kênh điều khiển chung đường lên (R-CCCH) 42 3.1.3 Kênh lưu lượng hướng lên 44 Điều khiển công suất hướng lên: Vịng kín 44 4.1 Vịng vịng ngồi: 44 4.2 Điều khiển công suất đa kênh hướng lên 45 4.2.1 Kênh truy nhập tăng cường (R-EACH) 45 4.2.2 Kênh điều khiển chung đường lên (R-CCCH) 46 4.2.3 Các kênh lưu lượng đường lên 46 II CHUYỂN GIAO 47 Giới thiệu 47 Chuyển giao mềm 47 Chuyển giao “rỗi” (Idle Handoff) .48 Chuyển giao cổng truy nhập (Access Entry Handoff) 48 Chuyển giao truy nhập (Access Handoff) 49 TRẦN THỊ OANH- LỚP CĐ2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di ®éng 3G- cdma2000 Chuyển giao thăm dò truy nhập 50 III HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG 51 Quản lý mã 51 M· Turbo 51 Phát phân tập 54 3.1 Phát phân tập trực giao (Orthogonal Transmit Diversity) 54 3.2 Trải phổ Không gian-Thời gian (Spreading Space Time) 56 Chơng Phơng pháp quy ho¹ch m¹ng 58 Mở đầu .58 Dự báo lu lợng 59 ThiÕt kế vô tuyến cho mạng tổ ong/PCS 59 Quy hoạch mạng vô tuyến 60 ThiÕt kÕ ®êng trun v« tun 60 Quy ho¹ch phđ sãng 62 Suy hao ®êng trun 64 8.1 Më ®Çu 64 8.1.1 Mô hình giải tích 64 8.1.2 Các mô hình thực nghiệm 64 8.1.3 Các mô hình cho môi trờng nhà 69 8.2 Mô hình IMT2000 73 8.2.1 Mô hình môi trờng nhµ 73 8.2.2 Môi trờng trong, nhà vỉa hè 73 8.2.3 M«i trêng xe cé 74 Tèi u m¹ng 74 Ch ¬ng CẤU TRÚC MẠNG 76 Các phần tử mạng 77 1.1 Nút phục vụ số liệu gói (PDSN) 77 1.2 Nhận thực, Trao quyền Thanh toán (AAA) 77 1.3 Home Agent (HA) 77 1.4 Bộ định tuyến .78 1.5 Bộ ghi định vị thường chú(HLR) 78 1.6 Trạm thu phát gốc (BTS) .78 1.7 Bộ điều khiển trạm gốc (BSC) .79 Các giao thức: 79 Simple IP 80 Mobile IP: 81 Kết luận .83 chơng 5: lựa chọn giải pháp lỹ thuật triển khai mạng lới s - fone 84 Triển khai mạng CDMA giới .84 Triển khai mạng lưới CDMA Việt Nam 84 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật triển khai mạng lưới S-Fone 85 3.1 Cấu trúc mạng cdma2000 1x S-Fone: .86 3.1.1 Cấu trúc mạng lõi chuyển mạch kênh: .88 TRN TH OANH- LP C2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 3.1.2 Cấu trúc mạng lõi chuyển mạch gói 89 3.1.3 Mạng truy nhập vô tuyến: 90 3.2 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật cho mạng: 91 KÕt kuËn 102 TRẦN THỊ OANH- LỚP CĐ2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Lời nói đầu Truyền thông di ®éng – 2008 / HƯ cao ®¼ng chÝnh quy mét ngành công nghiệp khổng lồ giới vận hành với công nghệ tiên tiến phát triển không ngừng.Vốn tiếp cận nhanh với công nghệ Thế Giới, ngành Viễn Thông Việt Nam đà tiến bớc ba đờng GSM, CDMA,WIMAX GSM chuẩn điện thoại di động phổ biến Thế Giới áp dụng cho khoảng 70% số ngời sử dụng điện thoại di động Hiệp hội GSM nỗ lực quảng bá cho chuẩn hệ thứ ba tốc độ cao dành cho điện thoại thấy hình với tên gọi WCDMA (Wideband code division multiple access) 2008 / Hệ cao đẳng quy CDMA băng rộng CDMA - Đa truy nhập phân chia theo mà công nghệ trải phổ cho phép nhiều tần số đợc sử dụng đồng thời; mà hoá gói tín hiệu số mà khoá gửi Hiện có 50 quốc gia Thế Giới triển khai ứng dụng công nghệ CDMA với 100 mạng, đến tháng 7/2008 Thế giới đà có gần 180triệu thuê bao CDMA 2000 Hiện Việt Nam có nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động.Trong đó, S-Telecom (S-Fone), EVN Telecom sử dụng công nghệ CDMA, Mobifone, Vinaphone, Gtel Vietel sử dụng công nghệ GSM, Hà Nội Telecom (HT Mobile) chuyển từ công nghệ CDMA sang eGSM Thế kỷ 21 đợc xem nh kỷ nguyên thông tin kỹ thuật số với dòng bít dịch chuyển toàn cầu, kết nối toàn giới Và ngời đà phải thừa nhận lệ thuộc vào giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedial) kỳ diệu Truyền thông di động không nằm vòng kết nối với hàng loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ ngời.Với tầm quan trọng tính thiết thực công nghệ truyền thông nên em đà chọn đề tài nghiên cứu Thông tin di động với công nghệ tiên tiến CDMA2000 làm đồ án tôt nghiệp Đồ án đợc chia làm 2phần nh sau: +Phần I: Công nghệ GSM hệ thống thông tin di động hệ (2 chơng) +Phần II : công nghệ CDMA2000 (5 chơng) Em xin chân thành cám ơn hớng dẫn tận tình thầy giáo : TS Nguyễn Vũ Sơn thầy cô khoa đà giúp em hoàn thành đồ án Sinh viên thực Trần Thị Oanh Giới thiệu Vô tuyến di động đà đợc sử dụng gần 78 năm Mặc dù khái niệm tổ ong, kỹ thuật trải phổ, điều chế số công nghệ vô tuyến đại khác đà đợc biết đến 50 nm trớc đây, dịch vụ điện thoại di động mÃi đến đầu năm 1960 xuất dạng sử dụng đợc sửa đổi thích ứng hệ thống điều vận Các hệ thống điện thoại di động tiện lợi dung l ợng thấp so với hệ thống nay, cuối hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử TRN TH OANH- LP C2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 dụng kỹ thuật đa thâm 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 này: (1) Phân bổ tần số hạn chế, dung lợng thấp (2) Tiếng ồn khó chịu nhiễu xẩy máy di động chuyển dịch môi trờng pha đinh đa tia (3) không đáp ứng đợc dịch vụ hấp dẫn khách hàng (4) Không cho phép giảm đáng kể giá thành thiết bị di động sở hạ tầng (5) Không đảm bảo tính bí mật gọi (6) 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 sử dụng kỹthuật thông tin số cho thông tin di động với kỹ thuật đa thâm nhập Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) giới đợc đời Châu Âu có tên gọi GSM GSM đợc phát triển từ năm 1982 nớc Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định dịch vụ viễn thông chung châu Âu băng tần 900 MHz Năm 1985 hệ thống số đợc định Tháng năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đà đợc lựa chọn Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM đợc đa vào từ năm 1993 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 ®éng chÝnh nh: New York, Los Angeles vµ Chicago Mü đà có chiến lợc nâng cấp hệ thống thành hệ thống số: chuyển thnh trình từ mạng thông tin di động 2G lên 3Gnh hệ thống TDMA đợc ký hiệu IS- 54 Việc khảo sát khách hàng 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) Các nhà nghiên cứu Mỹ tìm hệ thống thông tin di động số công nghệ đa thâm nhập phân chia theo mà (CDMA) Công nghệ sử dụng kỹ thuật trải phổ mnh trình từ mạng thông tin di động 2G lên 3G trớc đà có ứng dụng chủ yếu quân Đợc thành lập vào năm 1985, Qualcom đà phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động đà nhận đợc nhiều phát minh lĩnh vực Đến công nghệ đà trở thành công nghệ thống trị Bắc Mỹ, Qualcom đà đa phiên CDMA đợc gọi IS - 95 A Các mạng CDMA thơng mại đà đợc đa vào khai thác Hàn Quốc Hồng Kông CDMA đà đợc mua đa vµo thư nghiƯm ë Argentina, Brasil, Chile, Trung Qc, Germany, Irael, Peru, Philippins, Thailand Nhật Tổng công ty Bu 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 này: JPD (Japannish personal Digital Cellular System) Song song víi sù ph¸t triĨn cđa c¸c hệ thống thông tin di động tổ ong nói trên, hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số đợc nghiên cứu phát triển Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin là: TRN TH OANH- LP C2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication) Châu Âu PHS (Personal Handy Phone System) Nhật đà đợc đa vào thơng mại Ngoài hệ thống thông tin di động mặt đất, hệ thống thông tin di động vệ tinh: Global Star Iridium đợc đa vào thơng mại năm 1998 Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng khách hàng viễn thông dịch vụ viễn thông mới, hệ thống thông tin di ®éng ®ang tiÕn tíi thÕ hƯ thø ba HiƯn có hai tiêu chuẩn đà đợc chấp thuận cho IMT-2000 là: W-CDMA cdma2000 WCDMA đợc phát triển lên từ GSM hệ cdma2000 đợc phát triển lên từ IS-95 hệ hệ hệ thống thông tin di động có xu hoà nhập thành tiêu chuẩn có khả phục vụ tốc độ bit lên đến Mbit/s Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hệ thống thông tin di động hệ thứ ba đợc gọi hệ thống thông tin di động băng rộng TRN TH OANH- LP C2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Phần I:công nghệ gsm Hệ thống ttdđ hệ Chơng : Công nghệ GSM I Tổng quan mạng GSM Chữ GSM đợc viết tắt từ (Global System for Mobile Communication ) nhiªn nguyªn thđy cđa nã : Group Special Mobile Đây công nghệ mạng điện thoại di động phổ biến giới Cho đến công nghệ có gần tỷ thuê bao sử dụng phạm vi 212 qc gia vµ vïng l·nh thỉ Do nã hầu nh có mặt khắp nơi giới nhà cung cấp dịch vụ thực việc ký kết roaming với nhờ mà thuê bao GSM dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM nơi đâu Mặt thuận lợi to lớn công nghệ GSM việc truyền âm với chất lợng cao cho phép thuê bao sử dụng cách giao tiếp khác rẻ tiền tin nhắn SMS, Ngoài để tạo thuận lợi cho nhà cung cấp dịch vụ công nghệ GSM đợc xây dựng sở hệ thống mở nên dễ dàng kết nối thiết bị khác từ nhà cung cấp thiết bị khác Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đa tính roaming cho thuê bao với mạng khác toàn giới Và công nghệ GSM phát triển thêm tính truyền liệu nh GPRS sau truyền với tốc độ cao sử dụng EGDE II Lịch sử mạng GSM Vào đầu năm 1980 châu âu ngời ta phát triển mạng điện thoại di ®éng chØ sư dơng mét vµi khu vùc Sau vào năm 1982 đợc chuẩn hóa (CEPT : European Conference of Potstal and Telecommunication Administrations) vµ tạo Group special mobile (GSM) với mục đích sử dụng cho toàn châu âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM đợc xây dựng đa vào sử dụng nhà khai thác Radiolinia Finland Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn phát triển mạng GSM đợc chuyển cho viện viễn thông Châu âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), tiêu chuẩn , đặc tính phase 1của công nghệ GSM đợc công bố vào năm 1990 Đến cuối năm 1993 đà có 1triệu thuê bao sử dụng mạg GSM 70 nhà cung cấp dịch vụ 48 quốc gia III Giao tiếp RADIO GSM mạng điện thoại di động máy điện thoại di động kết nối với mạng cách tìm kiếm, kết nối với ác cell gần Các mạng di động GSM hoạt động băng tần Hầu hết hoạt động băng 900Mhz 1800Mhz.Vài nớc Châu Mỹ sử dụng băng tần 850Mhz 1900Mhz băng 900Mhz 1800Mhz nơi đà bị sử dơng tríc TRẦN THỊ OANH- LỚP CĐ2B §å án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Và có mạng sử dơng tÇn sè 400Mhz hay 450Mhz chØ cã ë Scandinavia sử dụng băng tần khác đà bị cấp phát cho việc khác Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz đờng uplink sử dụng tần số dải 890- 915 Mhz đờng downlink sử dụng tần số dải 935- 960 MHz Họ chia băng tần thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25Mhz, Mỗi kênh cácch khoảng 200KHz Sử dụng công nghƯ ph©n chia theo thêi gian TDM (time division multiplexing ) để chia kênh full rate hay 16 kªnh haft rate Cã khe thêi gian gép lại gọi thành khung TDMA, Tốc độ truyền liệu kênh 270.833 kbit/s khoảng thời gian khung 4,615m Công suất phát máy điện thoại đợc giới hạn tối đa watts băng GSM 850/900MHz tối đa watts băng GSM 1800/1900Mhz Mạng GSM sử dụng kiểu mà hoá âm để nén tín hiệu âm 3,1khz mà hoá 13kbps gäi lµ full rate (13kbps) vµ haft rate (6kbps) Để nén họ sử dụng hệ thống có tên linear predictive coding (LPC) Vào năm 1997 họ cảI tiến thêm cho mạng GSM mà GSM-EFR sử dơng full rate 12,2kbps Cã tÊt c¶ kÝch thcíc cell siet mạng GSM macro, micro,pico umbrella Vùng phủ sóng cell phụ thuộc nhiều vào môi trờng Macro cell đợc lắp cột cao nhà cao tầng, micro cell lại đợc lắp khu thành thị, khu dân c,pico cell tầm phủ sóng khoảng vài chụcmét trở lạinó thơng fđợc lắp để tiếp sóng nhà Umbrella lắp bổ sung vào vùng bị che khuất hay vùng trống ác cell Bán kính phủ sóng cell tuỳ thuộc vào độ cao anten, độ lợi anten,thờng có thểtừ vài trăm mét tới vài chục km Trong thực tế khả phủ sóng xa mọt trạm GSM 32km (32 dặm) Một số khu vực nhà mà anten trời phủ sóng tới nh nhà ga, sân bay,siêu thị ngời ta ding trạm pico để chuyển tiếp sóng từ anten trời vào IV.Cấu trúc mạng GSM : TRN TH OANH- LP C2B Đồ án tốt nghiệpồ án tốt nghiệp Thông tin di động 3G- cdma2000 Cấu trúc chung mạng GSM Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ dịch vụ cho khách hàng phức tạp sau chia thành phần nh sau: - Trạm gốc phần điều khiển Base Station Subsystem (BSS) - Mạng hệ thống chuyển mạch Network and Switching Subsystem (phần gần giống với mạng điện thoại cố định ) ĐôI ngời ta gọi mạng lõi (core network) - Phần mạng GPRS (GPRS core network) phần phần lắp thêm để cung cấp dịch vụ truy cập internet - Và số phần khác phục vụ việc cung cấp dịch vụ cho mạng GSM nh gọi hay nhắn tin SMS - Máy điện thoại 2008 / Hệ cao đẳng quy Mobile Equipment - Thẻ SIM 2008 / Hệ cao đẳng quySubscriber identity module Mỗi hệ thống nói chứa sơ đồ khối chức năng, đà thực tất chức hệ tổng, khối chức đợc thực thiết bị phần cứng khác Hệ thống đợc thực mạng gồm nhiều ô vô tuyến cạnh để đảm bảo toàn vùng phủ vùng phục vụ Mỗi ô có trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc tập hợp kênh vô tuyến , kênh khác với kênh đợc sử dụng ô lân cận để tránh nhiễu giao thoa Một điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển nhóm BTS BSC điều khiển chức nh chuyển giao điều khiển công suet Một trung tâm chuyển TRN TH OANH- LP CĐ2B 10