Nghiên cứu hệthống thông tin di động thếhệthứba (3G) W-CDMA và khảnăng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai”

Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai”

http://www.ebook.edu.vn 1 LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Trong thập kỷ vừa qua là sự bùng nổ của Internet thì trong thập kỷ tới là sự bùng nổ của mạng thông tin di động thế hệ ba 3G và các dịch vụ mới.Cùng với việc cho phép kết nối mọi nơi, mọi lúc, Internet cũng chỉ là một trong những khả năng của mạng 3G. 3G mang tới nhiều tiện ích, ứng dụng hơn là khả năng di động cho Internet. Các dịch vụ mới sẽ xuất hiện như nhắn tin đa phương tiện, các dịch vụ định vị, các dịch vụ thông tin cá nhân, vui chơi giải trí, các dịch vụ ngân hàng, thanh toán điện tử…sẽ phát triển mạnh. Ở Việt Nam trong những năm vừa qua cũng có sự phát triển mạnh mẽ về thông tin di động cũng như Internet và tiến tới các hệ thống thông tin di độ ng thế hệ thứ ba cũng đã và sẽ được nhanh chóng triển khai. Để theo kịp xu thế chung của thế giới là tiến tới mạng thế hệ sau 3G và cung cấp các dịch vụ mới, việc nghiên cứu để triển khai, chuyển đổi sang mạng 3G tại Việt Nam là cần thiết. Đối với nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000 Xuất phát từ định hướng này, đồ án tốt nghiệp đại học của em với đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA và khả năng ứng dụng ở Việt Nam trong tương lai” nhằm tìm hiểu những kiến thức về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA nói chung. Để từ đó có thể xây dựng cấu trúc mạng 3G phù hợp với xu hướng phát triển củ a mạng thông tin di động ở Việt Nam nhất là đối với mạng GSM. http://www.ebook.edu.vn 2 Nội dung gồm 3 chương: • Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành phát triển của thông tin di động từ 1G, 2G đến 3G. • Chương 2: Tìm hiểu về mạng thông tin di động 3G (W-CDMA) trong đó đề cập các tiêu chuẩn IMT-2000, các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống vô tuyến W-CDMA. Kỹ thuật trải phổ và điều khiển công suất trong hệ thống W-CDMA. • Chương 3: Khả năng ứng dụng mạng thông tin di động 3G (W-CDMA) ở Việt Nam trong tương lai, trong đó giới thiệu về cấu trúc hệ thống thông tin di động 2G (GSM) hiện tại, các cấu trúc hệ thống theo các phương án chuyển đổi từ GSM sang W-CDMA. Giới thiệu định hướng lên 3G của Viettel Mobile. http://www.ebook.edu.vn 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong xu thế phát triển chung của xã hội hiện đại thì sự ra đời của thông tin di động đã giúp cho con người trong việc liên lạc với nhau ở mọi nơi, mọi lúc. Và không dừng ở đó, khi việc liên lạc thoại đã được đáp ứng tốt thì nhu cầu về các dịch vụ gia tăng trên thông tin di động như truy cập Internet, truyền dữ liệu tốc độ cao . bắt đầu phát triển. Chương 1 củ a đồ án trình bày về lịch sử hình thành và phát triển của thông tin di động qua các thế hệ và những vấn đề chủ yếu của loại hình thông tin hiện đại này. 1.1. Quá trình phát triển của thông tin di động 1.1.1 Sự xuất hiện của thông tin di động thế hệ 1G và 2G Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của nhà bác học người Ý Maconi Guglielmo (1874-1937, giải nobel vật lý năm 1909) đã cho thấy thông tin di động có thể thực hiện giữa các máy thu – phát ở xa nhau và di động. Thông tin di động lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát. Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh trên thế giới. Thời đó, các thiết bị thông tin di động rất cồng kềnh, nặng hàng chục kilogam, đầy t ạp âm và rất tốn nguồn do sử dụng các đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn. Công tác trong dải tần thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với nhau trong khoảng cách hàng chục dặm. Sau đó, quân đội cũng dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu có hiệu quả. Nói chung hệ thống thông tin di động thời này có chất lượng kém. Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng rộng rãi tại Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố. Hệ thống này có sáu kênh http://www.ebook.edu.vn 4 sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150MHz. Mặc dù, các khái niệm tế bào, trải phổ, điều chế số, và các công nghệ hiện đại khác đã được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng đến những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện. Các hệ thống thông tin di động đầu tiên này ít có tiện ích và có dung lượng rất th ấp. Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đã truy nhập phân chia theo tần số FDMA. Đây là hệ thống sử dụng công nghệ Analog để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao di động hay còn được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất. (1General – 1G). [1,2] Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: Hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy cập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống này là: phân bổ tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới của khách hàng…. Giả i pháp để loại bỏ các hạn chế của hệ thống 1G trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dạng đa truy nhập mới. Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ nă m 1982, CEPT quyết định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông châu Âu ở băng tần 900 MHz. Đến những năm giữa thập niên 1990, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA trở thành hệ thống 2G thứ hai khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa – 95 (IS – 95) nay gọi là công nghệ Cdma one. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động được đưa vào sử dụng năm 1993, hiện nay đã có tới 6 hãng khai thác thị trường di độ ng, có 3 hãng khai thác ở mạng GSM là VinaPhone, Mobiphone và Viettel Mobile, còn có 3 hãng khai thác mạng CDMA là EVNTelecom (Điện lực), S-Fone Telecom, HaNoi Telecom (HT http://www.ebook.edu.vn 5 Mobile). Sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ đang mở ra một tương lai mới cho thị trường thông tin di động ở Việt Nam. Song song với sự phát triển hệ thống thông tin di động tế bào 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 Enhanad Curdless Telecom) của châu Âu và PHS của Nhật cũ ng đã được đưa vào khai thác. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật nói trên, sử dụng phương pháp đa truy nhập TDMA như GSM (châu Âu), FPC (Nhật), hoặc phương pháp đa truy nhập CDMA (IS – 95 Mỹ) đều thuộc thế hệ 2G Bắc Mỹ PDC (Nhật Bản) IS - 54 IS - 95 GSM Châu Âu Băng tần 800MHz/1,5Gh 800MHz 900MHz Khoảng cách tần số 50kHz (xen kẽ 25kHz) 50kHz (xen kẽ 25kHz) 1,25 MHz 400kHz (xen kẽ 200kHz) Cơ chế truy nhập TDMA/FDD TDMA/FDD DS- CDMA/FDD TDMA/FDD Cơ chế mã hoá 11,2kbit/giây VSEP 5,6kbit/sPSI- CELPP 13kbit/giây VSELP 8,5kbit/giây QCELP tốc độ biến thiên 4 nấc 22,8kb/s RPE-PTP- LPC 11,4 kbit/s EVSI Phương pháp điều chế QPSK QPSK Đường xuống: QPSK Đường lên: OPQSK GMSK Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống tế bào số http://www.ebook.edu.vn 6 * Chú thích : RPE: Mã hoá dự báo kích thích xung đều LTP: Mã hoá dự báo dài hạn LPC: Mã dự báo tuyến tính FDD: Phân chia theo tần số PSI-CEPT: Dự báo tuyến tính kích thích mã - đổi đồng bộ âm Các hệ thống 2G có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải thiện nhờ các công nghệ xử lý tổng hợp số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (Ví dụ: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hoá cải tiến, dung lượng cao hơn tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phố vô tuyến (Bảng 1.1 mô tả) chuyển vùng trở thành m ột phần của dịch vụ và vùng phủ song cũng ngày càng rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế về dụng lượng trên nhiều thị trường. 1.1.2 Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). Thông tin di động ngày nay đang tiến tới hệ thống thế hệ thứ 3 (3G) hứa hẹn dung lượng thoạ i lớn hơn, kết nối dung lượng di động tốc độ cao hơn và sử dụng các công dụng đa phương tiện. Các hệ thống viễn thống thế hệ (3G) cần cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đối các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144 kbit/s đến 2Mb/s. Hiện đang có hai hệ thống tiêu chu ẩn hoá: Một dựa trên chuẩn hệ thống CDMA băng hẹp IS – 95, được gọi là CDMA 2000. Chuẩn kia là sự kết hợp của các tiêu chuẩn Nhật Bản và châu Âu do dự án hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) tổ chức. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến truy nhập vô tuyến mặt đất (UTRA UMTS – Terrestrial Radio Access). UMTS – tiêu chuẩn này có hai sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua ghép song http://www.ebook.edu.vn 7 công phân chia theo tần số (FDD) thường gọi là CDMA băng thông rộng W- CDMA 1.1.2.1 So sánh – đánh giá các phương pháp đa truy nhập FDMA, TDMA và CDMA Trước khi xem xét tương lai của 3G cũng cần khảo sát hoạt động của từng giao diện nói trên. Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi từ trạm di động đến trạm gốc, tạo điều kiện cho liên lạc song công (hình 1.1 minh hoạ giao diện không gian với đường lên đường xuống ). Thứ hai, có mộ t tập các kênh điều khiển hai chiều để điều khiển các kênh thoại. Cuối cùng, giao diện không gian cần 1 quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổ cho nhiều người dùng đồng thời. Chúng ta gọi FDMA, TDMA, CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao diện không gian. Hình 1.1: Tổng quan về hệ thống vô tuyến FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất. Một thuê bao muốn tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím http://www.ebook.edu.vn 8 gửi. Nếu còn dung lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm di động để phục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại. Xét trên một sơ đồ phân bổ tế bào điển hình, số chiều thoại tối đa của một tế bào bất kỳ là khoảng 60. Rõ ràng là không thể phục vụ hàng triệu khách hàng với một dung lượng hạn chế nh ư thế. Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ một khe thời gian cho mỗi thuê bao.Ví dụ: Hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh. Để sử dụng các khe thời gian tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển sang dạng số. Một bộ mã hoá thoại gọi là Vocoder thực hiện công việ c này. Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các vocoder tốc độ bit thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể. Các hệ thống CDMA giải quyết vấn đề dung lượng theo một cách hoàn toàn khác. Nó cũng dùng vocoder để số hoá tín hiệu thoại nhưng không phân bổ khe thời gian mà gán cho mỗi chiều thoại một mã duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý. Quá trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống như tạp âm nền. Tất nhiên là quá trình này có cơ sở toán học của nó xong việc quan sát trong thực tế cũng phần nào lý giải được các khái niệm. Ta hình dung, khi ta đang đi vào một khu vực đông người, trước hết ta nghe thấy các giọng nói. Ta nói tiếng Việt, ta sẽ nghe thấy những mẩu hội thoại bằng tiếng Việt. Cũng như thế người Pháp nghe thấy giọ ng nói người Pháp, người Anh nghe thấy giọng nói người Anh và tương tự với tất cả các thứ ngôn ngữ trên đời, ta có thể nghe từng cuộc hội thoại nếu như tạp âm tổng thể ở dưới một mức tối đa nào đó. Điều này có nghĩa là số tối đa các cuộc gọi trong hệ thống CDMA là một phương trình của tạp âm nền cộng với các tạp âm do mỗi cuộc gọi tạo ra. So sánh với TDMA, CDMA có dung lượng cao http://www.ebook.edu.vn 9 hơn với chất lượng bằng hoặc tốt hơn. Trong hơn 1 tỷ thuê bao điện thoại di động trên Thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dung FDMA hay TDMA. Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển, trong khi FDMA, TDMA sẽ chìm dần vào quên lãng. Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (W-CDMA) trong khi CDMA sẽ là CDMA 2000. 1.1.2.2. Hướng về 3G trong thông tin di động. Hình 1.2: Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G Từ thập niên 1990, Liên minh viễn thông quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một sản phẩm được gọi là thông tin di động toàn cầu 2000 ( IMT – 2000). Con số 2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực tế là chậm hai, ba năm. Khác với các hệ th ống thông tin di động http://www.ebook.edu.vn 10 thế hệ thứ nhất 1G và thứ hai 2G thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G – IMT 2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó có xu thế chuẩn hoá toàn cầu, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu. Để được như vậy, IMT 2000 tạo điều kiện tích hợp mạng mặt đất hoặc vệ tinh. Hơn thế nữa IMT 2000 c ũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng. Như đã nói các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ rộng và cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện. Đối với một thuê bao di độ ng hoạt động trên 1 ô siêu nhỏ (picocell) tốc độ dữ liệu có thể đến 2,048 Mb/s. Với một thuê bao di động tốc độ chậm hoạt động trên 1 ô cực nhỏ (micro cell), tốc độ dữ liệu đạt 348 Kb/s. Với một thuê bao di động trên phương tiện giao thông hoạt động trên 1 ô lớn (marcocell) tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 144 kbit/s. . Hình 1.3: Minh hoạ mối quan hệ giữa các khu vực dịch vụ khác nhau của IMT – 2000 Một phần quan trọng của hệ thống này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu. Con đường tiến lên 3G từ 2G bắt đầu từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu bùng nổ theo gói. [9] [...]... BA (3G) W-CDMA Qua việc tìm hiểu và nghiên cứu quá trình lịch sử hình thành và phát triển của thông tin di động ở chương 1 thì chương 2 của đồ án giới thiệu về hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) W-CDMA trong đó nêu lên những kỹ thuật cơ bản và công nghệ then chốt sử dụng trong W-CDMA 2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin di động 3G 2.1.1 Mục tiêu của IMT-2000 Những nỗ lực trong nghiên cứu. .. CDMA sử dụng cho các thế hệ 1G, 2G và 3G • Một vài nhận xét về thị trường di động ở nước ta hiện nay và khả năng tiến lên 3G trong tương la.i Những nội dung trên là cơ sở để tìm hiểu về mạng thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) W-CDMA, kỹ thuật trải phổ trong W- CDMA, điều khiển công suất trong W-CDMA, sẽ được trình bày trong chương 2 http://www.ebook.edu.vn 23 CHƯƠNG 2: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ... phía khách hàng) Và điều này cũng cần phải có thời gian mới chứng minh được http://www.ebook.edu.vn 21 1.2.2 Hướng phát triển và khả năng ứng dụng hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng của xã hội, của công nghệ thông tin, kéo theo nhu cầu trao đổi thông tin của con người phát triển theo, do vậy mà tiến lên 3G là tất yếu và Việt Nam không phải là ngoại lệ Việt Nam phải phát... động ở Việt Nam Hiện nay ở Việt Nam, thị trường viễn thông đang có sự phát triển rất mạnh mẽ đặc biệt là thông tin di động Các nhà cung cấp đang ngày càng củng cố và phát triển hệ thống của mình để đáp ứng nhu cầu sử dụng của khách hàng Họ đã bỏ tiền của, công sức ra đầu tư vào hệ thống để phục khách hàng với mục đích kinh doanh và thu lợi nhuận Thị trường di động ở nước ta mới được đầu tư mạnh mẽ trong. .. kém và mất thời gian Cuối cùng, cần có nhiều dịch vụ hơn nữa để thu hút khách hàng Chúng ta đã thấy sự phổ biến của email và tin nhắn đối với PDA và điện thoại di động Giờ đây chúng ta cần một loạt các ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi phải có tốc độ dữ liệu của 3G [9,10] http://www.ebook.edu.vn 19 1.2 Quá trình tiến lên hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam 1.2.1 Thực tại thị trường thông tin di động. .. dõi các thông tin định vị và thông tin an ninh kết hợp với các MS trong vùng phục vụ của nó Một SGSN giao tiếp với các GGSN và các SGSN trong cùng 1 mạng PLMN qua giao di n Gn và GGSN của mạng PLNM khác qua giao di n Gp Các giao di n cùng thuộc giữa 1 SGSN và 1 MSC/VLR (giao di n Gs) và HLR (SMS – IWMSC cho phép dịch vụ bản tin ngắn của GSM được truyền qua kênh GPRS thay vì trên kênh SDCCH và SACCH... 1885 MHz ), và 2,5GHz để sử dụng cho IMT2000 trên thế giới trong tương lai 2.1.4 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống thông tin di động W-CDMA Các yêu cầu đối với IMT-2000 bao gồm tính năng linh hoạt, tính năng kinh tế và khả năng truyền số liệu cao Yêu cầu hoạt động tối thiểu về tốc độ truyền dẫn là 2Mb/s ở môi trường trong nhà, 384Kb/s trong chế độ đi bộ, 144Kb/s ở chế độ di chuyển bằng... phép truyền tin tin cậy trong một loạt các ứng dụng thương mại, bao gồm cả thông tin trên xe di động thông tin vô tuyến liên sở ( interoffice) Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần W rất rộng, thường gấp hàng trăm lần tốc độ bit của hệ thống nhờ sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN (Pseudo Noise) Khi chỉ có một người sử dụng băng tần... cuối W-CDMA đã được phê chuẩn là một trong các giao di n khuyến nghị của tổ chức Viễn thông quốc tế (ITU), trong đó nó được gọi là hệ thống trải phổ trực tiếp IMT-2000 Về các dịch vụ, một trong những mục tiêu chính là cung cấp đầy đủ các chức năng đa phương tiện trong thế giới thông tin di động Khả năng truyền dẫn tốc độ cao sẽ biến mục tiêu này thành khả thi đối với hệ thống thông tin di động W-CDMA. .. Nó đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với hệ thống thông tin di động thế hệ 2G về tốc độ truyền số liệu cũng như các dịch vụ gia tăng 2.2 Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA Kỹ thuật trải phổ là kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong W-CDMA nhờ vào khả năng bảo mật và tính chống nhiễu cao, do vậy cần nghiên cứu sâu về kỹ thuật này 2.2.1 Giới thiệu chung Kỹ thuật trải phổ với các hệ thống thông tin số