Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của x• hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học - Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút , nó tạo ra một trào lưu "Điện Tử - Tin Học - Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở những năm cuối của thế kỷ 20, và đầu thế kỷ 21. Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lưu đó. Cùng với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian. Chắc chắn trong tương lai Thông Tin Di Động sẽ được hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả m•n nhu cầu thông tin tự nhiên của con người. Nhưng trong tình hình hiện nay tại Vệt Nam, mạng di động GSM với công nghệ TDMA đang trở nên quá tải và bộc lộ nhiều nhược điểm đòi hỏi phải được thay thế trong tương lai gần. Chính vì thế việc nghiên cứu công nghệ CDMA nói chung và việc ứng dụng nó trong thông tin di động nói riêng là một yêu cầu cấp bách nhằm có những hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật, về kinh tế và các xu hướng triển khai CDMA trên thế giới. Từ đó có những biện pháp triển khai thông tin di động CDMA có hiệu quả nhất trong điều kiện nước ta cho từng giai đoạn cụ thể. Một trong những ưu điểm nổi bật của công nghệ CDMA là khả năng chuyển giao mềm và điều khiển công suất. Nhờ vậy hệ thống CDMA có được chất lượng cũng như độ tin cậy cao, có khả năng chống nhiễu và fading rất tốt. Trên cơ sở những kiến thức đ• tích luỹ được qua 5 năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và hơn một tháng thực tập tại Đài GSM - Trung tâm Dịch vụ viễn thông KV I, em đ• hoàn thành đồ án tốt nghiệp với bố cục như sau: Chương I : Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào. Chương II : Tổng quan công nghệ CDMA. Chương III: Chuyển giao mềm trong hệ thống CDMA dùng tiêu chuẩn IS 95 (cdmaONE). Chương IV: Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Lời mở đầu Hiện nay trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu đợc, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con ngời nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Bằng những bớc phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học - Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con ngời từng giờ từng phút , nó tạo ra một trào lu "Điện Tử - Tin Học - Viễn Thông " trong mọi lĩnh vực ở những năm cuối của thế kỷ 20, và đầu thế kỷ 21. Lĩnh vực Thông Tin Di Động cũng không nằm ngoài trào lu đó. Cùng với nhiều công nghệ khác nhau Thông Tin Di Động đang không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lợng và chất lợng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng nh không gian. Chắc chắn trong tơng lai Thông Tin Di Động sẽ đợc hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con ngời. Nhng trong tình hình hiện nay tại Vệt Nam, mạng di động GSM với công nghệ TDMA đang trở nên quá tải và bộc lộ nhiều nhợc điểm đòi hỏi phải đợc thay thế trong tơng lai gần. Chính vì thế việc nghiên cứu công nghệ CDMA nói chung và việc ứng dụng nó trong thông tin di động nói riêng là một yêu cầu cấp bách nhằm có những hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật, về kinh tế và các xu hớng triển khai CDMA trên thế giới. Từ đó có những biện pháp triển khai thông tin di động CDMA có hiệu quả nhất trong điều kiện nớc ta cho từng giai đoạn cụ thể. Một trong những u điểm nổi bật của công nghệ CDMA là khả năng chuyển giao mềm và điều khiển công suất. Nhờ vậy hệ thống CDMA có đợc chất lợng cũng nh độ tin cậy cao, có khả năng chống nhiễu và fading rất tốt. Trên cơ sở những kiến thức đã tích luỹ đợc qua 5 năm học tập chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thông tại trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và hơn một tháng thực tập tại Đài GSM - Trung tâm Dịch vụ viễn thông KV I, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với bố cục nh sau: Chơng I : Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào. Chơng II : Tổng quan công nghệ CDMA. 1 1 Chơng III: Chuyển giao mềm trong hệ thống CDMA dùng tiêu chuẩn IS 95 (cdmaONE). Chơng IV: Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, bị hạn chế về mặt thời gian, sự am hiểu cha sâu, cha đợc tiếp xúc với thực tế. Vì vậy chắc chắn trong cuốn luận văn này không tránh khỏi khiếm khuyết. Em rất mong đợc sự góp ý kiến của các thầy cô, các ban để cuốn đồ án đợc hoàn thiện hơn. Hà Nội ngày tháng năm 2004. Sinh viên: Phạm anh tuấn 2 2 c h c h ơ n g I . ơ n g I . Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào. I.1. Tổng quát chung. Thuật ngữ "thông tin di động" đã có từ lâu và đợc hiểu nh là có thể cung cấp một cách lu động trong quá trình thông tin. Thông tin di động có thể thực hiện đợc nhiều dịch vụ di động nh: truyền thoại, truyền số liệu, Fax, nhắn tin . Trớc đây mạng lới thông tin di động chủ yếu đợc sử dụng trong lĩnh vực quân sự và ngày nay đã đợc thơng mại hoá và đợc đa vào sử dụng rộng rãi . Mạng vô tuyến tế bào (cellular) là một trong những ứng dụng lĩnh vực viễn thông có nhu cầu lớn nhất và phát triển nhanh nhất. Ngày nay nó chiếm thị phần lớn và không ngừng tăng trong toàn bộ các thuê bao thế giới. Trong tơng lai lâu dài, các hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng kỹ thuật số đầy triển vọng sẽ trở thành phơng thức thông tin vạn năng. Thông tin di động từ những lúc sơ khai với phơng pháp thông tin điểm-điểm rồi đến điện thoại không dây . với các loại hình thông tin này đều có các đặc tính chung là phục vụ cho nhu cầu kéo dài mạng cố định qua hệ thống vô tuyến. Bớc phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động là tạo ra từ một mạng nhỏ có số thuê bao hạn chế và ngày càng đợc mở rộng phạm vi hoạt động . Từ những năm 80 các hệ thống thông tin di động tế bào đợc nghiên cứu và ứng dụng khai thác, với hệ thống này vùng phục vụ thông tin đợc chia thành các ô (cell) nhỏ, mỗi cell có một trạm thu phát (TRX) đảm nhiệm. Toàn bộ hệ thống có một hay nhiều bộ chuyển mạch điều hành và chúng đợc kết nối với nhau thành một mạng thống nhất và cho phép các cuộc gọi đợc chuyển vùng từ cell này đến vùng của cell khác, từ nớc này đến nớc khác. 3 3 I.2. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động. Thông tin di động đợc ứng dụng cho nghiệp vụ cảnh sát từ những năm 20 ở băng tần 2MHz. Sau thế chiến thứ 2 mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng (1939-1945) với kỹ thuật FM ở băng sóng 150MHz. Năm 1948, một hệ thống thông tin di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond - Indian. Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải tần số 30Khz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đa hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với cuối thế chiến thứ 2. Quan niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 với Bell thay thế cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và Anten đặt cao, là những cell có diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ, khi các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng tần số. Tháng 12/1971 đa ra hệ thống cellular kỹ thuật tơng tự, sử dụng phơng pháp điều tần FM, dải tần 850MHz. Tơng ứng là sản phẩm thơng nghiệp AMPS với tiêu chuẩn do AT & T và MOTOROLAR của Mỹ đề xuất sử dụng đợc ra đời vào năm 1983. Đầu những năm 90 thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt các hệ thống ở các nớc khác nhau nh: TACS, NMTS, NAMTS, C, . Tuy nhiên các hệ thống này không thoả mãn đợc nhu cầu ngày càng tăng của nhu cầu sử dụng và trớc hết là về dung lợng. Mặt khác các tiêu chuẩn hệ thống không tơng thích nhau làm cho sự chuyển giao không đủ rộng nh mong muốn (việc liên lạc ngoài biên giới là không thể). Những vấn đề trên đặt ra cho thế hệ 2 thông tin di động tế bào phải lựu chọn giải pháp kỹ thuật: kỹ thuật t- ơng tự hay kỹ thuật số. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá đa số đều lựa chọn kỹ thuật số. Trớc hết kỹ thuật số bảo đảm chất lợng cao hơn trong môi trờng nhiễu mạnh và khả năng tiềm tàng về một dung lợng lớn hơn. Sử dụng kỹ thuật số có u điểm sau: Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. 4 4 Mã hoá tín hiệu thoại với tốc độ ngày càng thấp cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn và dòng bít tốc độ chuẩn. Giảm tỉ lệ tin tức báo hiệu dành tỉ lệ tin tức lớn hơn cho ngời sử dụng. áp dụng kỹ thuật mã hoá kênh và mã hoá nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số. Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng làm tăng dung lợng của hệ thống. Điều khiển động cho cấp phát kênh liên lạc làm cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn. Có nhiều dịch vụ mới nhận thực, số liệu, mật mã hoá và kết nối với ISDN. Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lợng tăng, báo hiệu liên tục đều dễ dàng xử lý bằng phơng pháp số. Hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai có ba tiêu chuẩn chính: GMS, IS - 54 (bao gồm cả tiêu chuẩn AMPS), JDC. Tuy nhiên các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nh- ợc điểm nh sau: Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là bị hạn chế nên việc ứng dụng các dịch vụ dữ liệu bị hạn chế, không thể đáp ứng đợc các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ thông tin di động đa phơng tiện cho tơng lai, đồng thời tiêu chuẩn cho các hệ thống thế hệ thứ hai là không thống nhất do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhng cả 2 hệ thống này đều có thể đợc coi nh là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì ngời sử dụng thực tế dùng các kênh đợc ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc thực hiện chuyển mạng toàn cầu gặp phải nhiều khó khăn. Bắt đầu từ những năm cuối của thập niên 90 hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ra đời bằng kỹ thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cải tiến. Lý thuyết về CDMA đã đợc xây dựng từ những năm 1950 và đợc áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết 5 5 thông tin trong những năm 1980, CDMA đã đợc thơng mại hoá từ phơng pháp thu GPRS và Ommi-TRACKS, phơng pháp này cũng đã đợc đề xuất trong hệ thống tổ ong của QUALCOM - Mỹ vào năm 1990. Trong thông tin CDMA thì nhiều ngời sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tơng quan chéo thấp đợc ấn định cho mỗi ngời sử dụng. Ngời sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên nh ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngợc các tín hiệu đồng bộ thu đợc. So với hai hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là hệ thống đa dịch vụ và đa phơng tiện đợc phủ khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi là đều thực hiện đợc. Điều đó có nghĩa là mỗi thuê bao di động đều đợc gán một mã số về nhận dạng thông tin cá nhân, khi máy ở bất cứ nơi nào, quốc gia nào trên thế giới đều có thể định vị đợc vị trí chính xác của thuê bao. Ngoài ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba là một hệ thống đa dịch vụ, thuê bao có thể thực hiện các dịch vụ thông tin dữ liệu cao và thông tin đa phơng tiện băng rộng nh: hộp th thoại, truyền Fax, truyền dữ liệu, chuyển vùng quốc tế, Wap . để truy cập vào mạng Internet, đọc báo chí, tra cứu thông tin, hình ảnh . Do đặc điểm băng tần rộng nên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba còn có thể cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh, âm thanh, cung cấp các dịch vụ điện thoại thấy hình . I.3. Câú hình hệ thống thông tin di động. Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm có ba phần chính là máy di động MS (Mobile Station), trạm gốc BS (Base Station), và Tổng đài di động (MSC). Hệ thống điện thoại di động tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động trên ô tô (hay xách tay), BS và MSC (trung tâm chuyển mạch điện thoại di động). 6 6 Máy điện thoại di động (MS) bao gồm các bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển, BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn. MSC sử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy nhập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng. Chúng bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cớc đối với các cuội gọi đã hoàn thành. Các máy di động, BS và MSC đợc liên kết với nhau thông qua các đờng kết nối thoại và số liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lu lợng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể đợc thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã đợc xác định trong vùng đó. Cũng từ những quan điểm về hệ thống điện thoại di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã đợc xác định đều có thể bận do đã đợc kết nối một cách đồng thời với các máy di động. Bộ phận điều khiển của MSC, là trái tim của hệ thống tổ ong, sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống. Tổng đài tổ ong kết nối các đờng đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau hoặc các thuê bao cố định với các thuê bao di động và trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đờng số liệu giữa MSC và BS. Với hệ thống này, do các máy phát thờng có công suất lớn hơn nhiều (500W) so với các máy di động (25W). Và đơng nhiên anten của máy di động thờng ở mức thấp hơn nhiều so với anten phát. Để cự ly thông tin của hệ thống đợc nh nhau theo cả hai chiều, ngời ta thờng dùng các trạm đầu xa chứa các máy thu. Các trạm đầu xa này sẽ thu nhận tín hiệu phát của máy di động và gửi chuyển tiếp tín hiệu đó trở lại bộ điều khiển hệ thống để xử lý. 7 7 Trong khi đó, đối với mạng tế bào ngời ta lại bố trí các máy thu/phát trong vô số các tế bào nhỏ trong phạm vi của vùng bao phủ. Các máy thu/phát đợc điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm hoặc một tổng đài, sao cho thuê bao có thể di chuyển giữa các cell mà dịch vụ vẫn đợc duy trì. Điều này cho phép tái sử dụng lại tần số và tạo điều kiện để mạng tế bào có tiềm năng dung lợng lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông tin di động trớc đây. Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động và BS đợc truyền đi qua kênh RF, các đờng kết nối thoại và số liệu cố định đợc sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC. 8 8 Tới PSTN hoặc Tới PSTN hoặc các mạng khác các mạng khác Tới PSTN hoặc các mạng khác Cell A Tuyến kết nối MSC#1 MSC#2 Cell B Hình 1.3: Hệ thống tế bào điển hình. I.4. Các phơng pháp đa truy nhập trong thông tin di động. I.4.1. Nguyên tắc chung. Để làm tăng dung lợng của dải vô tuyến dùng trong một lĩnh vực nào đó, và có thể cho phép nhiều ngời cùng khai thác chung một tài nguyên trong cùng thời điểm, chẳng hạn nh trong thông tin di động thì ngời ta phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập. Hiện nay có ba hình thức đa truy nhập khác nhau là: Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Liên quan đến việc ghép kênh là dải thông mà mỗi kênh hoặc mỗi mạch chiếm trong một băng tần nào đó. Trong mỗi hệ thống ghép kênh đều sử dụng khái niệm đa truy nhập, điều này có nghĩa là các kênh vô tuyến đợc nhiều thuê bao dùng chung chứ không phải là mỗi khách hàng đợc gán cho một tần số riêng. I.4.2. Đa truy nhập phân chia theo tần số. Đối với các hệ thống tế bào hiện đang sử dụng kỹ thuật ghép kênh FDMA, đều chia toàn bộ băng tần đợc phân phối cho một nhà khai thác mạng tế bào (Khoảng 25 MHz) thành các kênh rời rạc. Vì mỗi kênh thờng có độ rộng dải là 30 KHz, cho nên hệ thống có tất cả 832 kênh khả dụng. Mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số, cho nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng. Mỗi cặp có thể gán cho một thuê bao mạng tế bào vào bất kỳ lúc nào. Thiết bị di động sử dụng kỹ thuật FDMA ít phức tạp hơn so với các thiết bị sử dụng các kỹ thuật ghép kênh khác và nói chung giá thành cũng rẻ hơn. Tuy nhiên, do mỗi kênh cần dùng một máy phát và một máy thu riêng biệt. Cho nên FDMA đòi hỏi rất nhiều thiết bị tại vị trí trạm gốc. Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng 9 9 đợc với cả các hệ thống truyền dẫn số (Digital) lẫn các hệ thống truyền dẫn tơng tự (Analog). Sau đây là minh hoạ về kỹ thuật FDMA sử dụng cho hệ thống tế bào analog ở Hoa Kỳ: Nh vậy, mỗi kênh chiếm dải thông và đáp ứng cho một cuộc đàm thoại. Tần số của mỗi kênh tuy khác nhau nhng trong cùng thời gian thì nhiều máy vô tuyến có thể truy nhập tới đợc. I.4.3. Đa truy nhập phân chia theo thời gian. Với TDMA mỗi kênh vô tuyến đợc chia thành các khe thời gian. Từng cuộc đàm thoại đợc biến đổi thành tín hiệu số và sau đó đợc gán cho một trong những khe thời gian này. Số lợng khe trong một kênh có thể thay đổi bởi vì nó là một nhiệm vụ của thiết kế hệ thống. Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và th- ờng thì nhiều hơn, điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lợng khách hàng nhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một đại lợng dải thông nh vậy. TDMA là một hệ thống phức tạp hơn FDMA, bởi vì tiếng nói phải đợc số hoá hoặc mã hoá, sau đó đợc lu trữ vào một bộ nhớ đệm để gán cho một khe thời gian 10 10 30 KHz kênh 1 30 KHz kênh 1 Thoại Thoại analog analog 30 KHz kênh 832 30 KHz kênh 832 . . . . . . Thoại Thoại analog analog Hình 1.4: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ. Hình 1.4: Kỹ thuật FDMA trong TTDĐ.