TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG KỸ THUẬT MC – CDMA

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm

LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm. Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến. Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng mang bằng giải thuật IFFT và FFT. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. Nhiệm vụ của đề tài: Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC-CDMA (Multicarrier – Code Division Multiple Access). ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG KỸ THUẬT MC – CDMA Lời nói đầu Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1 Khái quát về Hệ thống di động tế bào 1 1.2 Sự phát triển của Hệ thống thông tin di động 3 Thế hệ thứ nhất (1G) 3 Thế hệ thứ hai (2G) 4 Thế hệ thứ 3 (3G) 4 Con đường đi lên 3G của Việt Nam 4 1.3 Kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5 1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5 a. Hiệu ứng đa đường (Multipath) 5 b. Hiệu ứng Dopler 6 c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 6 1.3.2 Các dạng kênh truyền 6 a. Kênh truyền chọn lọc tần số và Kênh truyền Fading phẳng 6 b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 8 1.4 Các kỹ thuật đa truy nhập 9 1.4.1 Giới thiệu chung 9 1.4.2 FDMA : Đa truy nhập phân chia theo tần số 10 1.4.3 TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian 11 1.4.4 CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã 12 Chương 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA) 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Kỹ thuật trải phổ 13 2.2.1 Giới thiệu chung 2.2.2 Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) 15 2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS) 16 2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS) 19 2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS) 22 2.2.6 Các chuỗi trải phổ 23 2.3 Nguyên lý CDMA 24 2.4 Máy thu RAKE 25 ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA 2.5 Điều khiển công suất 26 2.5.1 Hiệu ứng Gần – Xa 26 2.5.2 Điều khiển công suất 27 2.6 Chuyển giao (Handoff) 27 2.6.1 Chuyển giao mềm 28 2.6.2 Chuyển giao cứng 28 2.7 Hệ hống DS – CDMA 29 2.8 W – CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) 29 Chương 3: MC – CDMA (Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) 31 3.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 31 3.1.1 Giới thiệu 31 3.1.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 32 3.1.3 Tính trực giao 33 3.1.4 Hệ thống OFDM 36 3.1.5 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 38 3.1.6 Ưu, khuyết điểm của OFDM 40 3.1.7 Kết luận 40 3.2 MC – CDMA 41 3.2.1 Giới thiệu 41 3.2.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 42 3.2.3 Máy phát và máy thu MC – CDMA theo mô hình 1 43 3.3 Ưu, khuyết điểm của hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC – CDMA 45 3.3.1 Ưu điểm 45 3.3.2 Khuyết điểm 45 3.4 Sự khác nhau giữa MC – CDMA và OFDMA 46 Kết luận và hướng phát triển đề tài 47 Các chữ viết tắt 48 Tài liệu tham khảo 50 ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ BÀO Thay vì dùng các máy phát sóng vô tuyến công suất cực lớn để cung cấp các dịch vụ thông tin di động cho một lượng lớn users trong một vùng rộng lớn thì thông tin tế bào chia các vùng địa lý thành các ô (cell), mỗi ô sử dụng máy phát sóng công suất nhỏ hơn và các bộ điều khiển được gọi là trạm gốc (BS – Base Station). Các ô này kết hợp lại tạo thành mạng tế bào như hình 1.1. Các trạm gốc (BS) được điều khiển bởi Trung tâm chuyển mạch di động (MSC – Mobile Switching Center), các MSC này lại được điều khiển bởi Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN – Public Switched Telephone Network). Hình 1.1. Hệ thống di động tế bào ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 2 Trong hệ thống thông tin di động tế bào, tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định ở một kênh nào đó mà thay đổi tùy theo vị trí của user. Mỗi ô được gán cho một nhóm tần số. Vì vậy, các ô kế cận nhau sử dụng các nhóm tần số khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh. Còn ở các ô cách xa một khoảng cách nhất định thì có thể sử dụng lại nhóm tần số đó (Frequency Reuse). Nhờ vậy mà dung lượng của hệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần. Điều này được minh hoạ trong hình 1.2. Ta nhận thấy cứ một nhóm 7 cells tần số được sử dụng lại. Nhóm 7 cells này được gọi là 1 cluster. Ví dụ : cell thứ nhất (được đánh số 1) của cluster này sẽ sử dụng cùng tần số với cell 1 của cluster khác. Hình 1.2. Sử dụng lại tần số với cluster gồm 7 cells. Khi user di chuyển từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi thì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi để không làm gián đoạn cuộc gọi. Quá trình này gọi là chuyển vùng (Handoff). Những ưu điểm của Hệ thống thông tin di động tế bào: + Do sử dụng hiệu quả dải tần số mà dung lượng của hệ thống tăng rất nhiều. + Chất lượng của hệ thống được cải thiện do khả năng chống nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference). + Tăng chất lượng truy cập và chuyển vùng giữa các cell. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 3 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động đã phát triển qua các thế hệ khác nhau. Thế hệ thứ nhất – 1G : + Các hệ thống thông tin di động 1G được xây dựng từ những năm 80 Ví dụ: NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển. AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ + Dựa trên công nghệ analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access). + Cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại. + Các hệ thống di động 1G được phát triển trong phạm vi Quốc gia, do đó không có khả năng tương thích lẫn nhau. Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời. 1 st Generation (1G) (1980s) Analog Voice AMPS, NMT … 2 nd Generation (2G) (1990s) Digital Voice & Data GSM, IS-95, PDC… 3 th Generation (3G) (2000s) Digital Voice, Internet, Media W-CDMA , CDMA2000, IMT-2000… ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 4 Thế hệ thứ hai – 2G : + Được phát triển ngay trong thập niên 90. + Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access). + Theo quan điểm người sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp. + Chưa thực hiện được hệ thống thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trường tồn tại một số hệ thống di động 2G như GSM (Global System for Mobile Communication), IS-95 (Interim Standard – 95), PDC (Personal Digital Celular) … Trong đó, GSM được sử dụng rộng rãi nhất. Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời với mục tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. + Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ưu thế vượt trội của CDMA . + Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau như thoại, Internet tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lượng cao, nhắn tin đa phương tiện (MMS) … + Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA … Hệ thống di động 3G chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang, đã được tiến hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá. Vì vậy, việc tìm hiểu về Hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC-CDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế. Con đường đi lên 3G của Việt Nam: Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở Việt Nam là Mobifone, Vinaphone, S-Fone và Viettel. Con đường đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều đã có: các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000. Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm triển khai cho phù hợp. Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifone thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G. Vào cuối năm nay, nhà cung cấp này dự định sẽ đưa ra dịch vụ 2,5G hay còn gọi là EDGE. Trong khi đó, Vinaphone và Viettel vẫn đang sử dụng công nghệ thuộc thế hệ thứ 2 (2G). ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 5 Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ CDMA. Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cách chuẩn 3G CDMA 2000 1X Evdo một khoảng không xa. Vì vậy, S-Fone sẽ có khả năng tiến nhanh hơn trên con đường hướng tới 3G. Mặc dù hiện nay đa số thuê bao di động ở nước ta chưa có nhiều nhu cầu gì khác hơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhưng theo tuyên bố của các nhà đầu tư thì đầu năm sau (2006), mạng 3G của Việt Nam sẽ được triển khai. (theo www.vtv.vn/vi-vn/VTV1/cuocsongso/2005/12/73939.vtv) 1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ (reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được gọi chung là Fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. 1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền: a. Hiệu ứng đa đường (Multipath) Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Tín hiệu thu được tại máy thu là tổng của các thành phần này, là một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu. Hình 1.3. Hiệu ứng đa đường ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 6 b. Hiệu ứng Doppler: Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự di chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến. Khi sự chuyển động tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading). c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi … làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm (slow fading). 1.3.2 Các dạng kênh truyền: Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có + Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng + Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi chậm (Slow Channel)). a. Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading Phẳng (Frequency Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective Channel) Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f 0 . ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 7 Hình 1.4a. Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 <W) Trên hình 1.4a, ta nhận thấy kênh truyền có f 0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số. Hình 1.4b. Kênh truyền Fading phẳng (f 0 >W) Ngược lại, trên hình 1.4b, kênh truyền có f 0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số. . ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC- CDMA TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG KỸ THUẬT MC – CDMA Lời nói đầu Chương. cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. Nhiệm vụ của đề tài: Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC- CDMA (Multicarrier – Code Division