Đa truy nhập vô tuyến: Hệ thống WCDMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN MÔN: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Đề tài: Phân tích cách thức tổ chức đa truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin vô tuyến cụ thể sử dụng W- CDMA HÀ NỘI Tháng năm 2016 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ viễn thông và có bước phát triển rực rỡ.Công nghệ GSM 2G với ưu điểm chất lượng thoại với số dịch vụ có thành công to lớn nhiều quốc gia với tỉ trọng thuê bao di động chiếm tới 50% tổng số thuê bao.Tuy nhiên nhu cầu người sử dụng dịch vụ không giới hạn, đòi hỏi dịch vụ đa dạng chất lượng cao từ thoại, audio, video, đến truyền liệu tốc độ cao Điều đòi hỏi nhà khai thác phải có công nghệ truyền thông không dây nhanh tốt Để đáp ứng yêu cầu đó, người ta tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ thống thông tin di động hệ 3G ITU-R tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT2000, châu Âu ETIS tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên với tên gọi UMTS (Universal Mobile Teclecommunnication System) Mục tiêu trước mắt tốc độ truyền bit từ 9,5Kbps lên 2Mbps Công nghệ nâng cao chất lượng thoại, dịch vụ liệu hỗ trợ truyền thông đa phương tiện đến thiết bị không dây Có nhiều chuẩn thông tin di động 3G đề xuất , chuẩn WCDMA ITU chấp thuận triển khai số nước khu vực Hệ thống W-CDMA phát triển hệ thống thông tin di động 2G sử dụng công nghệ TDMA GSM,PCD…WCDMA sử dụng công nghệ CDMA mục tiêu hướng tới hệ thống thông tin di động toàn giới Xuất phát từ yếu tố nhóm chúng em chọn đề tài nghiên cứu là: “Công nghệ W-CDMA ứng dụng hệ thống thông tin di động" Page | MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu W-CDMA Cấu trúc mạng WCDMA: 2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN: 2.2 Giao diện vô tuyến Kỹ thuật truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động W-CDMA 3.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA 3.2 Mã vòng hay mã phát lỗi 14 3.3 Điều chế BIT/SK QPSK: 16 3.3.1 Điều chế BIT/SK: 16 3.3.2 Điều chế QPSK 17 3.4 Trải phổ Mã trải phổ WCDMA 19 Mã định kênh OVSF 24 Các giải pháp nâng cấp GSM lên hệ ba 26 Ưu điểm công nghệ W-CDMA so với GSM .27 Khả tiến lên 3G Việt Nam: 27 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 29 Tài liệu tham khảo 31 Page | Giới thiệu W-CDMA W-CDMA( Wideband Code Division Multiple Aceess- truy cập đa phân mã băng rộng) công nghệ 3G hoạt động dựa CDMA có khả hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao video, hội thảo hình… WCDMA nằm dải tần 1920 MHz- 1980 MHz, 2110 MHz- 2170 MHz WCDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận liệu cho hệ thống GSM cách dùng kĩ thuật CDMA hoạt động băng tần rông thay cho TDMA Trong hệ thống thông tin di động hệ ba WCDMA nhận ủng hộ lớn nhờ vào tính linh hoạt lớp vật lý việc hỗ trợ dịch vụ khác đặc biệt dịch vụ bit thấp trung bình * WCDMA có tính sở sau: - Hoạt động CDMA băng rộng với băng tần 5MHz - Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp tất thông tin sóng mang - Hệ số tái sử dụng tần số - Hỗ trợ phân tập phát cấu trúc tiên tiến * Nhược điểm WCDMA hệ thống không cấp phép băng TDD phát liên tục không tạo điều kiện cho kỹ thuật chống nhiễu môi trường làm việc khác - Hệ thống thông tin di động hệ ba W-CDMA cung cấp dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn truyền dẫn đối xứng không đối xứng, thông tin điểm đến điểm thông tin đa điểm Page | Các dich vụ đa phương tiện mà WCDMA cung cấp Các dịch vụ liệu (data) WCDMA: WCDMA cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao sử dụng hiệu phổ băng tần lớn công nghệ trước GSM, GPRS EDGE Phiên WCDMA R99 phiên gần HSDPA(Release 5) , HSUPA(Release 6) cung cấp tốc độ cao cho đường lên UL đường xuống riêng biệt DL Phiên tương lai HSPA (Release 7) LTE(Release 8) Các dịch vụ liệu WCDMA Page | Cấu trúc mạng WCDMA: Hệ thống W-CDMA xây dựng sở mạng GPRS Về mặt chức chia làm loại: mạng lõi CN mạng truy cập vô tuyến UTRAN, mạng lõi sử dụng toàn cấu trúc phần cứng GPRS mạng truy cập vô tuyến phần nâng cấp W-CDMA Ngoài để hoàn thiện hệ thống, W-CDMA có thiết bị người sử dụng UE thực giao diện người sử dụng hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, UE UTRAN bao gồm giao thức thiết kế dựa công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi định nghĩa hoàn toàn dựa GSM Điều cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính toàn cầu dựa công nghệ GSM Cấu trúc UMTS  UE (User Equipment) Thiết bị người sử dụng thực chức giao tiếp người sử dụng với hệ thống, bao gồm: - Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): đầu cuối vô tuyến sử dụng cho thông tin vô tuyến giao diện Uu - Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): thẻ thông minh chưa thông tin nhận dạng thuê bao, thực thuật toán nhận thực số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối Page |  UTRAN (UMTS terrestrial Radio Access Network) Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực chức liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm: - Nút B: thực chuyển đổi dòng số liệu giao diện Iub Uu, tham gia quản lí tài nguyên vô tuyến - Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: có chức sở hữu điều khiển tài nguyên vô tuyến vùng (các nút B kết nối với nó) RNC điểm truy nhập tất dịch vụ UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN  CN ( Core Network) - HRL ( Home Location Register): ghi định vị thường trú lưu trữ thông tin lí lịch dịch vụ người sử dụng, thông tin bao gồm: Thông tin dịch vụ phép, vùng không chuyển mạng thông tin dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng gọi, số lần chuyển hướng gọi - MSC/VRL (Mobile Services Switching Center/ Visitor Location Register): tổng đài MSC sở liệu VRL để cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE vị trí MSC có chức sử dụng giao dịch chuyển mạch kênh VRL có chức lưu trữ lí lịch nguời sử dụng vị trí xác UE hệ thống phục vụ - GMSC (Gateway MSC): chuyển mạch kết nối với mạng - SGSN (Serving GPRS) L có chức MSC/VRL sử dụng cho dịch vụ mạch chuyển gói PS - GGSN (Gateway GPRS Support Node) L có chức GMSC phục vụ cho dịch vụ mạch chuyển gói  Các mạng ngoài: - Mạng CS: mạng kết nối cho dịch vụ chuyển mạch kênh - Mạng PS: mạng kết nối cho dịch vụ chuyển mạch gói  Các giao diện vô tuyến: - Giao diện Cu: giao diện thẻ thông minh USIM ME Giao diện tuân theo khuôn dạng chuẩn cho thẻ thông minh - Giao diện Uu: giao diện mà qua UE truy nhập phần tử cố định hệ thống mà giao diện mở quan trọng UMTS Page | - Giao diện Iu: giao diện nối UTRAN với CN, cung cấp cho nhà khai thác khả trang bị UTRN CN từ nhà sản xuất khác - Giao diện Iur: cho phép chuyển giao mềm nhà sản xuất khác - Giao diện Iub: cho phép kết nối nút B với RNC, tiêu chuẩn hóa giao diện mở hoàn toàn 2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN: - UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem) Một RNS gồm điều khiển mạng vô tuyến RNC Node B Các RNC kết nối với giao diện Iur kết nối với Node B giao diện Iub Cấu trúc UTRAN Đặc trưng UTRAN: Các đặc tính UTRAN sở để thiết kế cấu trúc UTRAN giao thức, có đặc tính sau đây: - Hỗ trợ chức truy nhập vô tuyến, đặc biệt chuyển giao mềm thuật toán quản lí tài nguyên đặc thù W-CDMA - Đảm bảo tính chung cho việc xử lí số liệu chuyển mạch kênh chuyển mạch gói cách sử dụng giao thức vô tuyến để kết nối từ UTRAN đến vùng mạng lõi Page | - Đảm bảo tính chung với GSM - Sử dụng chế truyền tải ATM chế truyền tải UTRAN 2.2 Giao diện vô tuyến: Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức bên phần tử mạng mà định nghĩa giao diện phần tử logic Cấu trúc giao diện xây dựng nguyên tắc lớp phần cao độc lập logic với nhau, điều cho phép thay đổi phần cấu trúc giao thức giữ nguyên phần tử lại Mô hình tổng quát giao diện vô tuyến UTRAN Page | Kỹ thuật truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động W-CDMA Hệ thống thông tin di động W-CDMA sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp (DS-CDMA) 3.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA Trải phổ chuối trực tiếp (DS) sử dụng cho hệ thống di động CDMA hệ thứ hai Mỹ, hệ thống CDMA – WLL Nhật sử dụng hệ thống di động hệ thứ ba W-CDMA Quá trình lọc độ rộng băng tần tín hiệu sử dụng để loại bỏ công suất nhiễu SNR số liệu băng gốc Phía phát hệ thống Page | Khoảng cách hai tín hiệu BPSK 3.3.2 Điều chế QPSK Tín hiệu điều chế QPSK có dạng: Trong đó: Page | 17 Eb: Năng lượng bit Tb: Thời gian bit E=2Eb: Năng lượng tín hiệu phát ký hiệu T=2Tb: Thời gian ký hiệu Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương sau: Ta biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bốn điểm không gian tín hiệu với tọa độ xác định sau: Quan hệ cặp bit điều chế tọa độ điểm tín hiệu điều chế QPSK không gian tín hiệu bảng sau: Page | 18 Ta thấy xác suất lỗi BPSK QPSK Tuy nhiên với QPSK hiệu suất băng thông gấp lần BPSK Băng thông QPSK xấp xỉ Rb 3.4 Trải phổ Mã trải phổ WCDMA Trong W- CDMA để tăng tốc độ truyền liệu, phương pháp đa truy nhập kết hợp TDMA FDMA GSM thay phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động băng tần rộng (5MHz) gọi hệ thống thông tin trải phổ  Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA sử dụng DSSS * Nguyên lý trải phổ DSSS: Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum): Sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang chứa thông tin Trong phương pháp này, mã trải phổ trực tiếp tham gia vào trình điều chế, dạng trải phổ khác mã trải phổ dùng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn sóng mang DSSS đạt trải phổ cách nhân luồng số cần truyền với mã trải phổ có tốc độ chip (Rc = 1/Tc, Tc thời gian chip) cao nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb thời gian bit) luồng số cần phát Page | 19 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) x,y c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, mã trải phổ; x(t),y(t) c(t) ký hiệu cho tín hiệu vào, mã trải phổ miền thời gian; X(f),Y(f) C(f) ký hiệu cho tín hiệu vào, mã trải phổ miền tần số, Tb thời gian bit luồng số cần phát, Rb=1/Tb tốc độ bit luồng số cần truyền; Tc thời gian chip mã trải phổ, Rc=1/Tc tốc độ chip mã trải phổ, Rc=15Rb Tb=15Tc Page | 20 Quá trình trải phổ giải trải phổ Quá trình giải trải phổ lọc tín hiệu người sử dụng k từ K tín hiệu Page | 21 * Mã trải phổ Các tín hiệu trải phổ băng rộng taọ cách sử dụng chuỗi mã giả tạp âm PN ( Pseudo Noise) Mã giả tạp âm gọi mã giải ngẫu nhiên có tính chất thống kê âm trắng AWGN (Additive While Gausian Noise) có biểu ngẫu nhiên, bất xác định Tuy nhiên máy thu cần biết mã để tạo cách xác đồng với mã phát để giả mã tin Vì mã giả ngẫu nhiên phải hoàn toàn xác định Mã giả ngẫu nhiên tạo ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính cổng XOR Một chuỗi ghi dịch hồi tiếp tuyến tính xác định đa thức tạp mã tuyến tính bậc m (m>0): Page | 22 Giá trị đầu (m-1) xung đồng hồ là: ……… Tại xung đồng hồ thứ I (i>m-1) ta có trạng thái ghi dịch: Tốc độ mạch bị hạn chế tốc độ tổng thời gian trễ ghi cổng loại trừ đường hồi tiếp Để hạn chế thời gian trễ, nâng cao tốc độ mạch tạo mã giả ngẫu nhiên ta sử dụng sơ đồ mạch sau: Page | 23 Mã định kênh OVSF Trải phổ thực mã độc lập với liệu nhằm tăng độ rộng băng tần tín hiệu phát chống nhiễu, trình ngẫu nhiên hóa sử dụng để phân biệt UE với trạm sở BS WCDMA, trình trải phổ thực mã định kênh OVSF (dùng để trải phổ lần đầu, thay đổi tốc độ bitrate-> chiprate) Các mã mã trực giao độ dài khả biến (OVSFOrthogonal Variable Spreading Factor), nên phân biệt cấc kênh user Quá trình ngẫu nhiên hóa thực mã ngẫu nhiên hóa PN Ngẫu nhiên hóa thực sau trải phổ nên độ rộng băng tần tín hiệu không thay đổi cho phép phân biệt tín hiệu từ nguồn khác  Các mã định kênh OVSF: Hình: Mã OVSF Hai code gọi trực giao tích chúng Trong trường hợp code có dạng 1, -1 ví dụ (1, 1, 1, 1) (1, 1, -1, -1) trực giao: (1*1) + (1*1) + (1*-1) + (1*-1) = Nói xác codes trực giao với codes có hàm tương quan chúng Ngĩa nhân với chưa đủ phải lấy tích phân chu kì tín hiệu mang tin (Ts) Truyền dẫn từ nguồn khác như: kết nối đường xuống đoạn ô kênh vật lí đường lên UE phân biệt mã định kênh Các mã định kênh xem mã trải phổ khả biến trực giao (OVSF) Việc sử dụng mã OVSF cho phép thay đổi mã trải phổ khác Page | 24 đảm bảo tính trực giao mã trải phổ có độ dài khác Các mã định kênh Ceh, sf, k (ch kênh, SF hệ số trải phổ 0