KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐÔNG VVCDMA

Phát triến từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 2G ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệutốc độ thấp.. Hệ thố

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn :T/íS NGUYỄN THI MINH

Sinh viên thực hiện : BÙI HOÀNG LỊCH

Mã sơ sinh viên 0851085156

NGHỆ AN -01/2013

Bộ GIẢO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐÒ ẢN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Bùi Hoàng Lịch

Số hiệu sinh viên: 0851085156

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cản hộ phản hiện:

Ngày tháng năm

Cản bộ phản biện

MỤC L ỤC

Trang

LỜI NÓI ĐÂU i

TÓM TẮT ĐÒ ÁN ii

DA NH SÁ CH HÌNH VẼ iii

DA NH SÁ CH BẢNG BIÊU iv

CẢc THUẬT NGỮVIÉT TẮT V CHƯƠNG I TỎNG QUAN VÊ sự PHÁT TRIỀN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Lịch sử phát triên thông tin đi động 1

1.1.1 Hệ thống thông di động thứ nhất 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ hai 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ ba 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ tư 7

1.2 Hướng phát triển của WCDMA 8

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỬ BA WCDMA 10

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA 10

2.2 Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 11

2.3 Cấu trúc hệ thống WCDMA 16

2.3.1 Cấu trúc mạng WCDMA 16

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến ƯTRAN 19

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 22

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TRẢI PHÒ TRONG ĨVCDMA 29

3.1 Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số 29

3.2 Khái niệm về trải phổ 30

3.3 Hệ thống thông tin trải phổ 32

3.4 Các phương pháp trải phổ 34

3.5 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS 35

3.5.1 Hệ thống DSSS-BPSK 38

3.5.2 Hệ thống DSSS - QPSK 41

3.7.2 Nhiễu đa đường 473.7.3 Nhiễu băng hẹp 473.7.4 Xác suất phát hiện thấp 473.8 C

ác mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 483.9 Tr

ải phố và điều chế đường lên 493.10 Trải phổ và điều chế đường xuống 52

KÉT LUẬN 58

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu trao đôi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại Các hệthống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọinơi Phát triến từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động

số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệutốc độ thấp Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầucủa con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghịtruyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS) WCDMA là nhánh công nghệ 3Gđược phát triển dựa trên cơ sở hệ thống thông tin di động 2G GSM

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựa chọntối un cho hệ thống truy nhập vô tuyến ĨTM-2000 Giao diện vô tuyến trên cơ sởCDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng yêu cầucủa hệ thống thông tin di động thế hệ ba Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khálớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trục tiếp đã mở rộng dải tần tới 5MHz đã

phần nào đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng Vì vậy em đã chọn đề tài: “Kỹ thuật trải pho trong mạng thông tin di động WCDMA Nội dung đồ án bao

gồm 3 chương:

Chương 1: Tông quan vê sự phát triên của thông tin di động

Chương 2: Công nghệ thông tin di động thứ ba WCDMA

Chương 3: Kỹ thuật trải phổ trong WCDMA

1

TÓM TẮT ĐÔ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiếu tông quan về mạng thông tin di động WCDMA Hệthống thông tin di động này cung cấp các dịch vụ đa phưoTig tiện như truyền dữ liệutốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây Trong mạng thông tin diđộng WCDMA sử dụng trải phô trực tiêp DSSS Kỹ thuật trải phô giúp mạng thôngtin di động 3G có những ưu điểm hơn hẳn so với các thế hệ di động trước là khả

ABSTRACT

This thesis was studied an overview of mobile communication networkWCDMA This mobile communication Systems providing multimedia Services astransmission high-speed data, wireless internet access like The mobilecommunication network System WCDMA using spread spectrum direct as DSSS.Spread spectrum techniques help 3G mobile communication network has advantagescompared to the previous generation of mobile multi-access capabilities, resistance

to multi-path interference, narrowband interference and security

DA NH SÁ CH HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 12

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống HSCSD 14

Hình 2.3 Cấu trúc mạng GPRS 15

Hình 2.4: cấu trúc tống quan hệ thống ƯMTS 16

Hình 2.5 Các phần tử của mạng ƯMTS 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vô tuyến số ở hệ thong thông tin di động số 29 Hình 3.2 Mô hình hệ thống thông tin trải phố 33

Hình 3.3 Phân loại các hệ thống CDMA 35

Hình 3.4: Trải phổ dãy trực tiếp DSSS 36

Hình 3.5: Sơ đồ khối bộ phát DSSS 37

Hình 3.6: Sơ đồ khối bộ thu DSSS 37

Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ phát sử dụng điều chế BPSK 38

Hình 3.8 Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK 38

Hình 3.9: Sơ đồ khối máy thu DS/SS - BPSK 39

Hình 3.10 Tín hiệu trải phổ từ máy thu điều chế BPSK 40

Hình 3.11 Sơ đồ khối bộ phát DSSS sử dụng điều chế ỌPSK 41

Hình 3.12: Các dạng sóng ở hệ thống DSSS-ỌPSK 42

Hình 3.13: Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DSSS - QPSK 42

Hình 3.14 Quá trình giải trải phố và lọc tín hiệu của nguờisử dụng k từ K tín hiệu 46 Hình 3.15 Cây mã định kênh 49

Hình 3.16 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 50

Hình 3.17 Truyền dẫn kênh điều khiến vật lý riêng đường lên và kênh số liệu vật lý riêng đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng 51

Hình 3.18 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức, (3 biểu diễn cho tỷ số công suất giữa DPDCH và DPCCH 51

Hình 3.19 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 52

Hình 3.20 Sơ đồ trải phố và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống 53 Hình 3.21 Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp 55

Hình 3.22 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 56

iii

Third Generation Partnership Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

AMPS Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động tiên

ATM Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhị phân

DANH SÁ CH BẢNG BỈÊU

TrangBảng 2.1 Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA 11

455

Bảng 3.2 Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập

8 mã 45Bảng 3.3 Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập

8 mã 45

CÁC THUẬT NGỮ Vĩ ÉT

DSCH Downlink Shared Channel Kênh dùng chung đường xuống

FDMA

Frequency Division MultipleĐa truy nhập phân chia tần số

FHSS

Frequency Hopping/SpreadTrải phố nhảy tần

HSCSD High Speed Switched Data

Kỹ thuật truyền dữ liệu chuyển

HTML Hyper Text Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn

IS-95 Interim Standard-95

Tiêu chuấn thông tin di động

MSC Mobile Switching Service Center

Trung tâm chuyển mạch dịch

VI

NMT Nordic Mobile Telephone System

Hệ thống điện thoại di động

PLMN Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công

RNS Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến

Ghép song công phân chia theo

viiiIX

CHƯƠNG 1

1.1 Lịch sử phát triên thông tin đi động

Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn là mộtnhu cầu hết sức cần thiết và đóng một vai trò qua trọng trong đời sống xã hội Đeđáp ứng nhu cầu này, khoa học kỳ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiềuhình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hon và chất lượng tốt hon

Khi các ngành thông tin quãng bá bằng vô tuyến phát triển mạnh mẽ thì ýtường điện thoại vô tuyến cũng ra đời, đây là tiền thân của mạng thông tin di độngsau này Năm 1946, mạng điện thoại di động đầu tiên được thử nghiệm ở ST louis,bang Missouri của Mỳ Và sau đó giới thiệu trên 25 thành phố của Mỹ Mỗi hệ thốngdùng bộ anten công suất lớn đặt cao phủ sóng toàn thành phố (bán kính 50km), kỹthuật FM, truyền bán song công, ở băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là120KHz Đây chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên sốngười phục vụ rất ít

Năm 1950, độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60KHz, dẫn đến số kênh sử dụngtăng gấp đôi

Năm 1960, độ rộng kênh chỉ còn 30Khz, hiệu suất pho tần tăng gấp 4 lần

Năm 1950 đến 1960, xuất hiện tống đài tự động, dịch vụ IMTS (song công tựđộng quay số, tự động chọn kênh) Tuy nhanh chóng bị bảo hòa bởi nhu cầu củangười sử dụng do chất lượng kém hay bị bận Dịch vụ ITMS hiện đang còn ở Mỹsong hiệu suất sử dụng phố kém so với điện thoại tế bào hiện nay

Năm 1989, trước yêu cầu của tăng trưởng mạnh mẽ của người sử dụng FCCphân thêm cho dịch vụ 10MHz phổ tần nữa (ứng với 166 kênh song công) Hệ thốngđiện thoại tế bào hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số,

kỹ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA)

Năm 1991, hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn 1-54 trên cơ sở hạ tầngAMPS Hồ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30KHz, kỹ thuật điều chế (n/4 DQPSK).Khi kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thế tăng dung lượng lên 6lần (kết hợp với kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA và tồn tại song song vớiAMPS trên cùng một cơ sở hạ tầng) Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệthống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Ầu là hệ GSM)

Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kỳ thuật trải phố phát triển bởi công

ty ỌUALCOM theo tiêu chuẩn ĨS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần1.25 MHz, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Có nhiều unđiếm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỷ số SNR thấp hơn, về giá thành có tínhcanh tranh hơn

Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng nhưđược đặt ra từ những năm 90 Từ năm 1995, chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dảitần 180 -> 2100MHz, hứa hẹn sự phát triên mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân(PCS)

1.1.1 Hệ thông thông di động thứ nhât

2

phương pháp điều tần FM đê điều chế tiếng nói trên băng tần 800MHz với độrông

phổ là 40MHz Đe sử dụng hiệu quả nguồn tần số có giới hạn thì toàn bộ vùng dịch

vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là tế bào (cell) Mồi tế bào dịch vụcung cấp một tần số nhất định và có một anten trung tâm, với công suất phát phù hợp

đế quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác Khicác cell ở cách nhau đủ xa thì có thế sử dụng lại tần số

Hệ thống thông tin di động thứ nhất chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và

sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự đê mang dữ liệu thoại của mồi người, và sử dụngphương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Ở đây, băng thông của hệthống được chia thành các băng có độ rộng Wch Giữa các kênh kề nhau có mộtkhoảng bảo vệ đế tránh chồng phố do sự không ốn định của tần số sóng mang Khimột người dùng gửi yêu cầu gửi tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sửdụng và giành riêng cho người dùng đó trong suốt thời gian gọi Tuy nhiên, ngay khicuộc gọi kết thúc kênh được ấn định lại cho người khác sử dụng

Đặc điêm:

- Mồi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kế

chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK,FSK

Hệ thống thông tin di động thứ hai theo mã IS-95 được phát triển ở Mỹ Hệthống này sử dụng lại băng tần 824MHz - 849MHz cho tuyến lên và 869MHz -894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1.25MHz Hệthống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng tần sửdụng gồm hai dải tần: 890MHz - 915MHz cho tuyến lên và 935MHz - 960MHz chotuyến xuống Dải tần này được chia nhỏ ra thành các giải con rông 200KHz (gọi làkênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN hay kênh vật lý) Mồi kênh vật lý chia thành

8 khe thời gian (Time Slot) ứng với 8 kênh dịch vụ về lý thuyết số kênh vật lý trêndải tần 25MHz là 25000/200=125 kênh Tổng số kênh lưu lượng là 125x8=1000kênh, nghĩa là phục vụ đồng thời 1000 thuê bao mà chưa sử dụng lại tần số

Ưu điếm của hệ thống thông tín di động thứ hai:

Hệ thống thông tin di động thứ hai ra đời giải quyết những hạn chế của thế hệtrước Do sử dụng kỹ thuật số mà có nhưng ưu điểm sau:

- Sử dụng kỳ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phố tần cao hon

- Mã hóa tín hiệu thoại với tốc độ bit càng thấp cho phép nhiều kênh vào dòngbit tốc độ chuẩn

- Áp dụng kỹ thuật mã hóa kênh và mã hóa nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số

- Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI và chống nhiễu ACI hiệu quả sẽlàm tăng dung lượng hệ thống

- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục nên làm cho việc sử

4

- Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai là không thốngnhất Do Mỳ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băngrộng, mặc dù cả hai hệ thống này đều có thế coi như là sự tố hợp của FDMA vàTDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định về cả tần số và các khethời gian trong băng tần Do đó việc chuyển giao toàn cầu chưa được thực hiện.

Vì vậy mà yêu cầu một hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G) ra đòi là mộtđiều tất yếu

1.1.3 Hệ thong thông tin di động thứ ha

Những năm cuối những năm 90 thế hệ thông tin động thứ ba ra đời với kỹthuật đa truy nhập CDMA và TDMA cãi tiến Là công nghệ truyền thông thế hệ thứ

3, cho phép truyền cả dừ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dừ liệu, gửi email, tinnhắn nhanh SMS, hình ảnh, ) Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàntoàn khác so với hệ thống 2G hiện nay Trong các dịch vụ của 3G, cuộc gọi videothường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển Ớ thế hệ thứ 3 nàycác hệ thống thông tin di động có xu hướng hòa nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất

có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2Mbit/s Đe phân biệt với các hệ thốngthông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3 gọi

là hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và

FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001,được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS.

• CDMA 2000

Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất củaCDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ,Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 - một tố chức độc lậpvới 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trongCDMA2000 bao gồm lxRTT, CDMA2000-lxEV-DƠ và lxEV-DV

CDMA 2000 cung cấp tốc độ dừ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s Chuẩnnày đã được chấp nhận bởi ITU

Yêu cầu đoi vói hệ thống thông di động thế hệ thứ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở ĨMT-2000 được đưa vàophục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiếu khả năng mới nhưngcũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ 2

Tốc độ của thế hệ thử ba đuợc xác định như sau:

- 384 Kbit/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mbit/s đối với vùng phủ sóng địa phương

Các tiêu chí để xây dụng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba:

- Sử đụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

+ Đường lên: 1885-2025 MHz

6

+ Môi trường nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyên

mạng toàn cầu

+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đông thời cho thoại, số liệu chuyến

mạch theo kênh và số liệu chuyến mạch theo gói

- Chất liệu thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

- Hiệu suất phổ tần cao hơn

- Tính bảo mật cao

So sánh với thế hệ thống di động thứ nhất và thứ hai thì thế hệ di động thứ ba

đa dịch vụ đa phương tiện rộng khắp toàn cầu Một trong những đặc điếm của nó là

có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi đều thực hiện được Mỗi thuê bao

di động đều được gán cho một mã sô cá nhân, khi tắt máy ở bất kỳ nào, ở bất kỳquốc gia nào đều có thế được xác định chính xác vị trí của thuê bao đó Hệ thốngthông tin di động thứ ba này thõa mãn cho người dùng những dịch vụ đa phương tiệnnhư truyền dữ liệu tốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây Dođặc diêm băng tân rộng nên hệ thông tin di động thứ ba có thê cung câp các dịch vụtruyền hình ảnh, âm thanh gọi thoại

1.1.4 Hệ thong thông tin di động thứ tư

Khi di chuyên và tới lGbit/s khi đứn yên, cũng như cho phép sử dụng có thêtải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Mạng điện thoại 3G hiệntại của DoCoMo có tốc độ 384Kbit/s và chuyển dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s.NTT DoCoMo cũng hi vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thê đưa mạng 4G vàokinh doanh, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trảinghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa

từ chính chiếc điện thoại di động của mình

Các đặc điểm của 4G:

- Cải tiến về dịch vụ dữ liệu: tốc độ bit, 20 - 100 Mbit/s

- Phương thức điều chế: OFDM, MC-CDMA

- Xu hướng kết hợp mạng lõi IP + mạng truy nhập di động (3G) và truy nhập

vô tuyến WIMAX &WIFI

1.2 Hướng phát triền của WCDMA

Hệ thống thông tin di động thứ tư là một công nghệ di động mới đang đượcphát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP Dự án được bắt đầu tù’ cuối năm 2004 Mặc dù3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps),nhưng 3G HSPA vẫn không thế cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di

Điều khiến trải phô

Trải phổ đường xuống

Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đối đế phân kênh,

Trải phổ đưòng lên

Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân biệt,chuỗi Gold 241 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q

Chuyển giao

CHƯƠNG 2

2.1 Giới thiệu về hệ thống WCDMA

Cuối năm 1977, hai tố chức tiêu chuấn là ETSI của Châu Ầu và ARIB củaNhật Bản đã thỏa thuận cùng liên kết xây dựng một tiêu chuẩn chung đáp ứng cácyêu cầu đặt ra của IMT-2000, đó là tiêu chuẩn WCDMA, WCDMA (WidebandCode Division Multiple Access), gọi là đa truy cập phân mã băng rộng, là một kỹthuật đa truy cập dựng trong mạng 3G (UMTS và FOMA) dựa trên công nghệCDMA (đa truy cập theo mã) hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA và cókhả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phuong tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet,hội thảo hình WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz -

2170 MHz

W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằngcách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trongcác công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớnnhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hồ trợ các kiếu dịch vụ khácnhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình

W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Lớp vật lý mềm dẻo đế tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang

10

Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng sau:

2.2 Quả trình phát triên từ GSM lên UMTS WCDMA

11

Hình 2.1 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

Ký hiệu:

* HSCSD: Số liệu chuyến mạch kênh tốc độ cao

* GPRS: Dịch vụ vô tuyến gói chung

* EDGE: Số liệu gói tốc độ cao GSM

* WCDMA: Đa truy nhập phân chia theo bảng mã băng rộng

Giai đoạn đầu của quá trình phát triến GSM là đảm bảo chất lượng dịch vụ sốtốt liệu tốt hơn Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyến mạch kênh (CS: CircuitSwitched) và chuyển mạch gói (PS: packet Switched) như sau:

* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyến mạch kênh đảm bảo:

* Dịch vụ bản tin ngắn SMS

* Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4 Kbps

* Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 Kbps

* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyến mạch gói đảm bảo:

1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64Kbps cho một người sử dụng.Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,1 Kbps, nhưvậy có thế đạt đến tốc độ trên lOOKbps.

Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF(Internetworking Function: Chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chứcnăng TAF (Terminal Adaption Function: Chức năng thích ứng đầu cuối) của MS.Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở

MS BTS BSC/TRAU MSC

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống HSCSD

Ký hiệu:

* PSTN: Mạng chuyến mạch điện thoại công cộng

* ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ

* PDN: Mạng số liệu công cộng

* MS: Trạm di động

13

người dùng khác kể cả khi không có số liệu truyền trên đó HSCSD chỉ được sửdụng ở nhũng mạng có nhu cầu cao về truyền dữ liệu nhanh nên khả năng triểnkhai là hạn chế.

2) Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

GPRS là dịch vụ số liệu gói tốc độ cao hon cho GSM, GPRS khác HSCSD ởchồ nhiều người sử dụng có thể cùng sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến, vì thếhiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất cao Một MS ở chế độ GPRS chỉ dànhđược tài nguyên vô tuyến khi nó có số liệu cần phát Khi không có dữ liệu đế phát,tài nguyên vô tuyến được dùng cho những người sử dụng khác Nhờ vậy mà băngtần được sử dụng rất hiệu quả cấu trúc mạng GPRS được mô tả ở hình 3.3

Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt tốc độđến 115 Kbps Tuy nhiên, đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người sử dụng thì tốc độ sẽthấp hơn Vì lúc đầu GSM được thiết kế cho lưu lượng chuyến mạch kênh, nên việcđưa dịch vụ chuyên mạch gói vào đòi hỏi phải bô sung thêm thiêt bị cho mạng (hình

- Báo hiệu và lưu lượng

Ký hiệu:

* Mạng truy nhập UTRAN

* Mạng lõi CN

* USIM (User Sim Card): Thẻ sim Card của người sử dụng

* MS (Mobile Station): Máy di động

* MSC (Mobile Server Swiching Center): Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động

* VLR (Visitor Location Register): Bộ ghi định vị tạm trú

* SGSN (Servicing GPRS (General Packet Radio Service) Suport Node):Điểm hỗ trợ GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) đang phục vụ

* GMSC (Gateway GPRS Suport Node): Nút hỗ trợ GPRS cổng

* HLR (Home Location Register): Bộ ghi định vị thường trú

* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vôtuyến mặt đất UMTS

* CN (Core Network): Mạng lõi

17

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USĨM) : Là một thẻ thông minh chứathông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, luu giữ cáckhóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.

* UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập vôtuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến.UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyến đối dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nócũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển cáctài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RN c còn là điếmtruy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

* CN(core net work)

- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữthông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm:Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và cácthông tin về dịch vụ bố sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyểnhướng cuộc gọi

- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):

Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạchkênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyênmạch kênh VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vịtrí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

- Giao diện CU: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diệnnày tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.

- Giao diện UU: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của

hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện IU: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhàkhai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện IUr: Cho phép chuyến giao mềm giữa các RNC từ các nhà sảnxuất khác nhau

- Giao diện IUb: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC IUbđược tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN

2.3.2.1 Các khuyến nghị

19

WCDMA Trong đó ARIB ở Nhật Bản cũng xây dựng một hệ thống 3G tương tựUMTS ở Châu Âu với giao diện vô tuyến cũng có hai chế độ là WCDMA vàTD/CDMA cũng sử dụng công nghệ WCDMA làm nền tảng Do đó ta có thê hiếuUTRA FDD ở Châu Âu và WWCDMA ở Nhật là một, băng tần sử dụng là băng tầnkép có đường lên và đường xuống có hai dải tần số khác nhau phân chia tần số.Cũng như vậy UTRA TDD ở Châu Âu và TD/CDMA ở Nhật là một, sử dụng băngtần đơn có đường lên và xuống cùng băng tần nhưng được phân chia theo khe thờigian.

Trong chế độ FDD, cặp sóng mang 5 MHz được sử dụng cho đường lên vàđường xuống như sau: đường lên sử dụng dải tần số từ 1920 MHz đến 1980 MHz.Đường xuống sử dụng dải tần số từ 2110 MHz đến 2170 MHz, khoảng phân cáchgiữa đường lên và đường xuống là 190MHz Mặc dù sóng mang 5MHz là sóng mangdanh định nhưng chúng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz đến 5 MHz để sửdụng từng bước sóng mang 200 kHZ

Trong chế độ TDD, một số tần số đã được định nghĩa: 1900 MHz đến 1920MHz và 2010 MHz đến 2025 MHz Một sóng mang cho trước được sử dụng cho cảđường lên và đường xuống Do vậy, không tồn tại khoảng phân cách giữa đường lên

Đó chính là ưu điểm của chế độ UTRA TDD và TD/CDMA Tuy nhiên do kỹ thuậtcủa hai chế độ này phức tạp hơn nên có thế chưa được triển khai ngay trong pha 1

dụng cao hơn so với các ứng dụng ngày nay đang sử dụng trên mạng di động Đadạng tốc độ truyền số liệu cũng đuợc thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháptrải phô động và tương thích năng lượng truyên sóng.

d Dữ liệu chuyên mạch gói và chuyên mạch kênh

Các dịch vụ gói đưa ra khả năng luôn luôn “trực tuyến - Online” đối với cácứng dụng không cần chiếm một kênh riêng biệt Đồng thời việc tính cước cho cácdịch vụ này dựa trên tống số byte số liệu trao đối qua mạng chứ không tính tiền theothời gian kết nối UTRAN có một chế độ tối ưu gói Nó hỗ trợ truyền nhanh các góiđột xuất, truyền trên kênh riêng khi lưu lượng gói lớn và liên tục

e Chuyên giao mềm

Đối với mạng GSM, MS chỉ có thế được nối tới một trạm thu phát (cell) tạimột thời điểm Trong khi MS chuyển động khi đang đàm thoại, chức năng chuyểngiao handover sẽ nối máy di động tới trạm phát thích hợp nhất Còn đối với UTRAN,

UE có thế đồng thời được kết nối tới nhiều trạm thu phát Nó được gọi là chuyếngiao mềm (Soạt Handover) Trong trường hợp UE được kết nối tới nhiều hơn mộtcell của cùng một trạm thì được gọi là chuyển giao mềm hơn (Softer Handover)

21

giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (giao thức này định nghĩa các bản tin vàcác thủ tục giữa UE và UTRAN) RNC là điểm thâm nhập tất cả các dịch vụ doUTRAN cung cấp cho mạng lõi, chang hạn như quản lý tất cả các kết nối đến UE.

Nó đóng vai trò như BSC

RNC điều khiên một nút B cho trước được xem như RNC điều khiển(CRNC) CRCN chịu trách nhiệm điều khiển tải và ứ nghẽn cho các ô của mình Khimột kết nối UE-UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC tham

dự vào kết nối này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt Đó là:

- RNC phục vụ SRNC (Service RNC): đối với một UE thì SRNC thực hiệnkết cuối cả đường nối Iu để truyền số liệu người sử dụng và cả báo hiệu RANAP(Radio Access Network Application) tương ứng từ/tới mạng lõi SRNC cũng kếtcuối báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến: giao thức báo hiệu giữa UE vàUTRAN Nó xử lý số liệu lớp 2 từ/tới giao diện vô tuyến SRNC cũng là CRNC củamột nút B nào đó được UE sử dụng đế kết nối với UTRAN

- RNC trôi hay RNC kề cận DRNC (Driít RNC): là một RNC bất kỳ khác vớiSRNC đế điều khiển các ô được UE sử dụng Khi cần DRNC có thể thực hiện kếthợp và phõn chia ở phân tập vĩ mô DRNC không thực hiện xử lý lớp 2 đối với sốliệu tới 1 tù' giao diện vô tuyến mà chỉ định tuyến số liệu trong suốt giữa các giaodiện Iub và Iur Một UE có thể có nhiều DRNC

Lưu ý: một RNC vật lý có chlà tất cả các chức năng của CRNC, SRNC,DRNC