Đồ án tốt nghiệp: THIẾT KẾ GIẢ LẬP MỘT HỆ THỐNG 3G

1.1 Lịch sử hệ thống thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói là thế hệ đang được triển khai ở một số quốc gia trên thế giới. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới được thể hiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tương lai. Hình 1.1 thể hiện một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gốc(BTS). Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động 1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ nhất Phương pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số . Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người sử dụng .Với FDMA , khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng . Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập. Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa là nhiều khách hàng có thể sử dụng được dãi tần đã gán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần ra thành nhiều đoạn .Phổ tần số quy định cho liên lạc di dộng được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách nhau bằng một dải tần phòng vệ. Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống .

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ Thủ tục thu/ phát tín hiệu 20 22 Chương3 .22 CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ BA W-CDMA 23 Chương 42 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT TRONG WCDMA 42 Chương 65 THIẾT KẾ GIẢ LẬP MỘT HỆ THỐNG 3G 65 Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1.1 Lịch sử hệ thống thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu Ra đời vào cuối năm 1940, đến thông tin di động trải qua nhiều hệ.Thế hệ không dây thứ hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ đời đánh giá nhảy vọt nhanh chóng dung lượng ứng dụng so với hệ trước đó, có khả cung cấp dịch vụ đa phương tiện gói hệ triển khai số quốc gia giới Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động giới thể phát triển hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới hệ thống chung toàn cầu tương lai Hình 1.1 thể mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm trạm gốc(BTS) Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động 1.1.2 Hệ thống thông tin di động thứ Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp Phương pháp đơn giản truy nhập kênh đa truy nhập phân chia tần số Hệ thống di động hệ sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) hổ trợ dịch vụ thoại tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang liệu thoại người sử dụng Với FDMA , khách hàng cấp phát kênh tập hợp có trật tự kênh lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệu hệ thống FDMA phức tạp, MS bật nguồn để hoạt động dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho Nhờ kênh này, MS nhận liệu báo hiệu gồm lệnh kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều so với kênh tần số có thể, số người bị chặn lại khơng truy cập Đa truy nhập phân chia theo tần số nghĩa nhiều khách hàng sử dụng dãi tần gán cho họ mà không bị trùng nhờ việc chia phổ tần thành nhiều đoạn Phổ tần số quy định cho liên lạc di dộng chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách dải tần phòng vệ Mỗi dải tần số gán cho kênh liên lạc N dải dành cho liên lạc hướng lên, sau dải tần phân cách N dải dành riêng cho liên lạc hướng xuống Đặc điểm : -Mỗi MS cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến -Nhiễu giao thoa tần số kênh lân cận đáng kể -BTS phải có thu phát riêng làm việc với MS Hệ thống FDMA điển hình hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS) Hệ thống thông tin di động hệ sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày tăng người dùng dung lượng tốc độ Vì khuyết điểm mà nguời ta đưa hệ thống thông tin di dộng hệ ưu điểm hệ dung lượng dịch vụ cung cấp 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ hai Cùng với phát triển nhanh chóng thuê bao số lượng chất lượng, hệ thống thông tin di động hệ đưa để đáp ứng kịp thời số lượng lớn thuê bao di động dựa công nghệ số Tất hệ thống thông tin di động hệ sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng phương pháp đa truy cập : • Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -TDMA) • Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -CDMA) Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA Với phương pháp truy cập TDMA nhiều người sử dụng sóng mang trục thời gian chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng cho khơng có chồng chéo Phổ quy định cho liên lạc di động chia thành dải tần liên lạc, dải tần liên lạc dùng chung cho N kênh liên lạc, kênh liên lạc khe thời gian chu kỳ khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, thuê bao cấp phát cho khe thời gian cấu trúc khung Đặc điểm : -Tín hiệu thuê bao truyền dẫn số -Liên lạc song công hướng thuộc dải tần liên lạc khác nhau, băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần cho phép máy thu máy phát hoạt động lúc mà không sợ can nhiễu -Giảm số máy thu phát BTS -Giảm nhiễu giao thoa Hệ thống TDMA điển hình hệ thống thơng tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications - GSM) Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp kỹ thuật FDMA Hệ thống xử lý số tín hiệu MS tương tự có khả xử lý không 106 lệnh 01 giây, MS số TDMA phải có khả xử lý 50x106 lệnh giây 1.1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng chiếm kênh vơ tuyến đồng thời tiến hành gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn Những người sử dụng nói phân biệt với nhờ dùng mã đặc trưng không trùng với Kênh vô tuyến CDMA dùng lại cell toàn mạng, kênh phân biệt nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) Đặc điểm CDMA: -Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz -Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp -Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ trường nhỏ chống fading hiệu FDMA, TDMA Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp -Việc thuê bao MS cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell linh hoạt 1.2 Tổng quan hệ thông tin di động hệ thứ ba( 3G) Công nghệ thông tin di động số hệ ba Công nghệ liên quan đến cải tiến thực lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại liệu thông qua chuẩn chuẩn Đầu tiên tăng tốc độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps Khi số lượng thiết bị cầm tay thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt phải có cơng nghệ truyền thông không dây nhanh chất lượng Công nghệ nâng cao chất lượng thoại, dịch vụ liệu hỗ trợ việc gửi nội dung video multimedia đến thiết bị cầm tay điện thoại di động Các hệ thống thông tin di động số giai đoạn chuyển từ hệ 2.5G sang hệ (3 - Generation) Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng dịch vụ thông tin di động, từ đầu năm đầu thập kỷ 90 người ta tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động hệ ba ITU-R tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thơng tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở châu Âu ETSI tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên với tên gọi UMTS (Universal Mobile Telecommunnication System) Hệ thống làm việc dải tần 2GHz Nó cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm dịch vụ thoại số liệu tốc độ cao, video truyền Tốc độ cực đại người sử dụng lên đến 2Mbps Người ta tiến hành nghiên cứu hệ thống vô tuyến hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps Những ưu điểm chủ yếu mạng 3G: • Cải thiện hệ thống thông tin di động hệ 2, cải thiện dung lượng, chất lượng, vùng phủ song • Tính linh hoạt cao dịch vụ • Thực truy nhập gói tin hiệu tin cậy Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp • Tính linh hoạt cao vận hành, hỗ trợ hoạt động không đồng trạn gốc nên triển khai thuận lợi nhiều môi trường, sử dụng kỹ thuật tiên tiến anten thông minh 1.2.1 Yêu cầu hệ thống thông tin di động hệ thứ ba Thông tin di động hệ ba phải hệ thống thông tin di động cho dịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại đựợc thay bưu thiếp điện tử lồng ghép với hình ảnh thoại thơng thường trước bổ xung hình ảnh để trở thành thoại có hình u cầu thông tin di động hệ thứ ba: + Mạng phải băng rộng có khả truyền thơng đa phương tiện, nghĩa mạng phải đảm bảo tốc độ bít lên tới 2Mbs phụ thuộc vào tốc độ di chuyển máy đầu cuối, 2Mbps dự kiến cho dịch vụ cố định, 384kbps 144kbps di chuyển tốc độ cao + Mạng phải có khả cung cấp độ rộng băng tần, dung lựợng theo yêu cầu Điều xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit dịch vụ khác Ngồi cần đảm bảo đường tuyền vơ tuyến không đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bit cao đường xuống tốc độ bit thấp đường lên ngược lại + Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, nghĩa phải đảm bảo kết nối chuyển mạch cho thoại, dịch vụ Video khả số liệu gói cho dịch vụ số liệu + Chất lượng dịch vụ phải không thua chất lượng dịch vụ cố định, thoại + Mạng phải có khả sử dụng toàn cầu, nghĩa bao gồm thông tin vệ tinh Bộ phận tiêu chuẩn ITU-R xây dựng tiêu chuẩn cho IMT2000 Thông tin di động hệ thứ ba xây dựng sở IMT-2000 đưa vào hoạt động từ năm 2001 Các hệ thống 3G cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit thấp bit cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc môi trường công cộng lẫn tư nhân, vùng sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải… 1.2.2 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 + Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2Ghz: Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp • Đường lên: (1885 – 2025) Mhz • Đường xuống: (2110 – 2200) Mhz + Là hệ thống thơng tin di động tồn cầu cho loại hình vơ tuyến: • Tích hợp mạng thơng tin hữu tuyến vơ tuyến • Tương tác với dịch vụ viễn thông + Sử dụng môi trương khai thác khác nhau: • Trong cơng sở • Ngồi đường • Trên xe • Vệ tinh + Có thể hỗ trợ dịch vụ như: • Mơi trường thương ảo (VHE) sở mạng thông minh, di động cá nhân chuyển mạch tồn cầu • Đảm bảo chuyển mạch quốc tế • Đảm bảo dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh số liệu chuyển mạch theo gói + Dễ dàng hỗ trợ dịch vụ xuất Môi trường hoạt động IMT-2000 đựoc chia thành bốn vùng với tốc độ bit Rb phục vụ sau: • Vùng 1: Trong nhà, picocell, Rb ≤ 2Mbps • Vùng 2: Thành phố, microcell, Rb ≤ 384Kbps • Vùng 3: Ngoại ơ, macrocell, Rb ≤ 144Kbps • Vùng 4: Tồn cầu, Rb = 9.6Kbps Có thể tổng kết dịch vụ IMT-2000 cung cấp bảng đây: Bảng 1.1 Phân loại dịch vụ IMT-2000 Kiểu Dịch vụ di động Phân loại Dịch vụ di động Dịch vụ chi tiết Di động đầu cuối di động cá nhân/ di động dịch vụ Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh - Dịch vụ âm thannh chất lượng cao (16 - 64 Kbps) - Dịch vụ truyền AM (32 64 kbps) - Dịch vụ truyền hình FM (64 - Dịch vụ thông tin định vị Dịch vụ âm Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp Dịch vụ viễn thông Dich vụ Internet đơn giản 144 kbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64 - 144 kbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao (144 kbps – 2Mbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥ Mbps) - Dịch vụ Video (384 kbps) - Dịch vụ ảnh động (384 kbps - Mbps) - Dịch vụ ảnh động thời gian thực ( ≥ 2Mbps) Dịch vụ truy nhập Web (384 kbps - Mbps) Dich vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet đa phương tiện Dịch vụ Internet (384 kbps 2Mbps) Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (≥ 2Mbps) Dịch vụ số liệu Dịch vụ đa phương tiện Dịch vụ Internet Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ ba, tổ chức quốc tế sau hình thành điều hành chung ITU: • 3GPP: bao gồm thành viên sau: - ESTI: Châu Âu - TTA: Hàn Quốc - ARIB, TTC: Nhật - T1P1: Mỹ • 3GPP2: bao gồm thành viên sau: - TIA, T1P1: Mỹ - TTA: Hàn Quốc - ARIB, TTC: Nhật Hiện hai tiêu chuẩn chấp thuận cho IMT-2000 là: - WCDMA xây dựng từ 3GPP - Cdma2000 xây dựng từ 3GPP2 Hai hệ thống bắt đầu đựợc đưa vào hoạt động năm đầu thập kỷ 2000 Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, điều cho phép thực tiêu chuẩn tồn giới cho giao diện vơ tuyến hệ thống thông tin di động hệ ba Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp WCDMA phát triển hệ thống thông tin di động hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA GSM, PDC, IS-136 Cdma2000 phát triển hệ thống thông tin di động hệ thứ hai sử dụng công nghệ CDMA: IS-95 Mơ hình tổng qt mạng IMT-2000: Hình 1.2 : Mơ hình mạng IMT-2000 Ký hiệu: - TE (Terminal Equipment) : Thiết bị đầu cuối - UI ( User Interface) : Giao diện người sử dụng Phân bố tần số cho IMT-2000 giới: Trần Việt Hùng ĐT8_K50 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.3 : Phân bổ số cho IMT-2000 giới Châu Âu sử dụng hệ thống hệ hai DCS 1800 băng tần (17101755) Mhz cho đường lên (1805-1850) cho đường xuống Ở Châu Âu hầu Châu Á băng tần IMT-2000 2x60 Mhz (1920-1980 Mhz cống với 2110-2170 Mhz) sử dụng cho WCDMA FDD Băng tần sử dụng cho TDD Châu Âu thay đổi, băng tần cấp theo giấy phép 25Mhz cho sử dụng TDD (1900-1920)Mhz (2020-2025)Mhz Băng tần cho ứng dụng TDD không cần xin phép (SPA – Self Provided Application: ứng dụng tự cấp) (2010-2020)MHz Các hệ thống FDD sử dụng băng tần khác cho đường lên đường xuống với phân cách khoảng cách song công, hệ thống TDD sử dụng tần số cho đường lên đường xuống Nhật sử dụng hệ thống hệ hai PDC, Hàn Quốc sử dụng hệ thống hệ hai IS-95 cho khai thác tổ ong lẫn PCS Ẩn định phổ PCS Hàn Quốc khác với ấn định phổ PCS Mỹ, Hàn Quốc sử dụng tồn phổ tần quy định IMT-2000 Ở Nhật phần phổ IMT-2000 TDD sử dụng cho PHS (hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân) Ở Mỹ khơng phổ cho hệ thống thơng tin di động hệ ba Các dịch vụ hệ ba thực sở thay phổ tần hệ thống thông tin hệ ba phổ tần hệ thống PCS hệ hai Ở Trung Quốc phổ tần dành trước cho PCS WLL sử dụng phần phổ tần IMT-2000 chúng chưa ấn định cho hãng khai thác Theo định phân bố tần số, có đến 2x60 Mhz sử dụng cho WCDMA Trung Quốc Phổ tần TDD sử dụng Trung Quốc Các nước bắt đầu xin giấy phép cho sử dụng phổ tần IMT-2000 Giấy phép cấp cho Phần Lan vào 03/1999, sau Tây Ba Nha Một số nước theo quan điểm cấp phép giống GSM cấp phép Châu Âu Tuy nhiên, số nước bán đấu giá phổ tần cho IMT-2000 giống Mỹ bán đấu giá cho PSC 1.3 Kết luận chương Chương giới thiệu tổng quan q trình phát triển hệ thống thơng tin di động Với nhu cầu không ngừng tăng lên người sử dụng chất lượng số lượng, nhu cầu trao đổi thơng tin trình độ cao đa dạng phát triển tất yếu Hiện công nghệ 3G ứng dụng cách Trần Việt Hùng ĐT8_K50