Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA

Thế kỉ 21 được coi là thế kỉ của tri thức do đó nhu cầu và trao đổi và xử lý thông tin ngày càng lớn. Trong những năm đầu của thế kỉ mới chúng ta được chứng kiến bước phát triển mạnh mẽ c

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỉ 21 được coi là thế kỉ của tri thức do đó nhu cầu và trao đổi và xử lý thôngtin ngày càng lớn Trong những năm đầu của thế kỉ mới chúng ta được chứng kiếnbước phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin mà điển hình ngày càng có nhiềucông nghệ mới để truyền dữ liệu có hiệu quả Tại Việt Nam cũng đang có một cuộccách mạng chuyển từ thế hệ 2G sang 3G trong lĩnh vực thông tin di động để bắt kịpvới sự phát triển của thế giới.

Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSMvà CDMA băng thông hẹp, các công nghệ này trở nên lạc hậu và quá tải trước là trướccác yêu cầu về dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, xem tivi trên điện thoại diđộng, truy cập WAP, internet và nhiều dịch vụ giá trị gia tăng khác Vì vậy sự thay thếcủa các công nghệ thế hệ 3G như WCDMA và CDMA-EVDO là điều tất yếu Thực tếphần lớn các thuê bao tại Việt Nam đang sử dụng mạng GSM mà WCDMA là bướcphát triển tiếp của GSM nên em chọn đề tài “Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ baUMTS W-CDMA” cho nội dung nghiên cứu đồ án của mình nhằm góp thêm hiểu biếtcho những người quan tâm và tìm hiểu công nghệ mới này.

Mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên khôngthể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, phê bình vàhướng dẫn từ thầy cô bạn bè

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ và hỗ trợ từ thầy hướng dẫn :Ths.Vương Hoàng Nam Thầy đã luôn tận tình chỉ

bảo và đưa ra những đánh giá, những lời khuyên thiết thực giúp em có thể hoànthành tốt đồ án của mình Em xin trân trọng cảm ơn thầy.

Em cũng xin cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ của các Thầy cô trong khoa Điện tử

Viễn thông và bạn bè những người đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2008

Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung chính cùa bản đồ án này nhằm giới thiệu một cách tổng quan về hệthống W-CDMA theo tiêu chuẩn của Châu Âu Trong chương đầu của đồ án là tổngquan về sự phát triển của hệ thống thông tin chủ yếu giới thiệu những mốc lịch sửđáng chú ý và những hệ thống điển hình của hệ thống thông tin qua các thời kì.Chương thứ hai đề cập chủ yếu đến công nghệ CDMA là nền tảng của W-CDMAgồm có các đặc tính điển hình của CDMA và kĩ thuật trải phổ là phương thức truynhập mới quyết định sự ưu việt của hệ thống CDMA so với các hệ thống trước đó.Trong chương ba hệ thống W-CDMA được giới thiệu như là một công nghệ mớicho thế hệ 3G tại Việt Nam Chương bốn là một số đề xuất về việc triển khai W-CDMA tại Việt Nam mang tính khả thi

Nội dung của đồ án này gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về mạng thông tin di động.Chương 2 Kỹ thuật trải phổ và công nghệ CDMA.

Chương 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA.Chương 4 Những kiến nghị triển khai WCDMA tại Việt Nam

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 6

1.1.Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động 6

1.2.Các phương thức đa truy nhập 8

1.3 Hệ thống thông tin tổ ong Cellular 10

1.4 Sự phát triển của hệ thống thông tin cellular 15

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 17

2.1 Kỹ thuật trải phổ 17

2.1.1 Khái niệm trải phổ 17

2.1.2 Các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ so với truyền dẫn băng hẹp 18

2.1.3 Cơ sở kỹ thuật trải phổ 20

2.1.4 Các hệ thống thông tin trải phổ 21

2.1.4.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS) 21

2.1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS) 23

2.1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian (TH/SS) 25

2.1.4.4 Hệ thống lai (Hybrid) 26

2.2 Tổng quan công nghệ CDMA 26

2.2.1 Khái niệm CDMA 26

2.2.2 Các đặc tính của CDMA 27

CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA UMTS W-CDMA 35

3.1 Khái quát về hệ thống W-CDMA 35

3.1.1Các thông số chính của WCDMA 37

3.1.3 Điều khiển công suất trong WCDMA 42

W-3.2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống 45

3.2.2 Chức năng của các phần tử trong hệ thống 47

3.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 47

3.2.3.1 Những yêu cầu: 47

3.2.3.2 Đặc tính mạng UTRAN 48

3.2.3.3 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 50

3.2.4 Mạng lõi 51

3.2.5 Thiết bị người dùng UE 53

3.3 Các giao diện của W-CDMA UMTS 53

3.3.1 Giao diện Iu 53

3.3.2 Giao diện Iub 53

3.3.3 Giao diện Iur 54

3.4 Mạng truyền dẫn 54

3.5 Kiến trúc phân lớp W-CDMA 55

3.5.1 Nguyên tắc phân lớp trong hệ thống W-CDMA 55

3.5.2 Lớp vật lý trong W-CDMA 56

3.6 Cấu trúc kênh trong W-CDMA 57

3.6.1 Các kênh logic 57

3.6.2 Các kênh truyền tải 58

3.6.2.1 Các kênh truyền tải riêng(DCH-Dedicate Channel) 58

3.6.2.2 Các kênh truyền tải chung 58

3.6.3.1 Các kênh vật lý đường lên 62

3.6.3.2 Các kênh vật lý đường xuống 65

3.6.3.3 Định kênh và ngẫu nhiên hóa trong các kênh vật lý 73

3.7 Kỹ thuật vô tuyến 75

3.7.1 Vấn đề điều khiển công suất 75

3.7.2 Vấn đề chuyển vùng 78

3.7.3 Máy thu RAKE 81

3.8 Những ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM 82

CHƯƠNG 4 : NHỮNG KIẾN NGHỊ TRIỂN KHAI W-CDMA TẠI VIỆT NAM 83

4.1 Cơ sở hạ tầng mạng thông tin di động số ở nước ta 83

4.2 Cơ sở triển khai mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 tại Việt Nam 86

4.3 Vấn đề liên kết các hệ thống 87

4.4 Những xu hướng triển khai khác nhau về W-CDMA 88

KẾT LUẬN CHUNGKẾT LUẬN CHUNG 92

BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNGTHÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1.Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động

Lịch sử của ngành liên lạc viễn thông ra đời từ những thí nghiệm đầu tiên củaHertz về tần số ở thế kỉ 18 Hệ thống vô tuyến đầu tiên xuất hiện năm 1919, khi ấynó chỉ phục vụ việc nghiên cứu liên lạc bằng sóng radio và được xây dựng ở haitrạm tại Boston và Baltimore ứng dụng đầu tiên của liên lạc sóng radio là liên lạcđường biển Tới năm 1933 hệ thống thông tin trên đất liền mới đưa và khai thác màứng dụng chủ yếu của nó là thông tin trong cảnh sát và lực lượng cứu hỏa với băngtần 35MHz gồm 10 kênh, khoảng cách mỗi kênh là 40kHz, việc chuyển mạch bằngtay bởi điện thoại viên Năm 1946 hệ thống thông tin thương mại đầu tiên ra đời vớihoạt động tại băng tần 150MHz Năm 1964 hệ thống MJ ra đời sử dụng công nghệmạch trong hệ thống làm giảm độ rộng mỗi kênh từ 120kHz xuống còn 30kHz Cáchệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp trong khichi phí sử dụng khá tốn kém.

Hệ thống thông tin tế bào của Bell đã được nghiên cứu thí nghiệm từ năm 1947cuối cùng năm 1975 hệ thống này đã được thử nghiệm và được cấp phép tiến hànhtừ năm 1977, năm 1978 hệ thống thông tin tế bào đàu tiên được xây dựng với độrộng băng tần 20MHz, 870-890MHz cho hướng đi và 825-845MHz cho hướng về,chia thành nhiều kênh mỗi kênh có độ rộng 30kHz sử dụng công nghệ phân chiatheo tần số FDD do vậy có tất cả 666 kênh Năm 1981 hệ thống này được đưa và sửdụng tại châu âu Hệ thống này được phát triển lên hệ thống AMPS (AdvanceMobile Phone Service) năm 1983 được coi là dịch vụ thoại tiên tiến.

Sau một thập kỉ phát triển, người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tươngtự cũng dần không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếunhư không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này như:

 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp.

 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xẩy ra khi máy di động chuyển dịch trong môitrường pha đinh đa tia

 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

 Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng

 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạtầng.

 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làmcho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác Để khắc phục những hạn chế kể trên hệ thống thông tin di động cần phảichuyển từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật thông tin số cùng với kĩ thuật đa truynhập mới Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chiatheo thời gian (TDMA) được nghiên cứu và tiến hành tại một số nước Tây Âu năm1981 như Thụy Điển, Nauy, Phần Lan, Đan Mạch sau này xuất hiện nhiều chuẩncho hệ thống này và năm 1991 châu âu thống nhất một chuẩn duy nhất cho hệ thốngnày là GSM hệ thống thông tin toàn cầu.

GSM có thể nói là bước phát triển tiếp của TDMA, GSM là sự kết hợp của cảTDD và FDD nên cho dung lượng lớn hơn, GSM cũng bắt đầu cung cấp vài dịch vụtruyền dữ liệu, kết nối internet.

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là côngnghệ đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA) Công nghệ này sử dụng kỹ thuậttrải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự Được thành lập vàonăm 1985, Qualcom đã thương mại hóa công nghệ CDMA cho thông tin di động vàđã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Đến nay công nghệ này đãtrở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầutiên được gọi là IS - 95 A.

Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thông tin di độngvệ tinh: Global Star và Iridium cũng được đưa vào thương mại trong năm 1998.

Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thôngvề cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang hướng tới thế hệthứ ba, có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA vàcdma2000 W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và cdma2000 được pháttriển lên từ IS-95 thế hệ 2 Ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thếhoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lênđến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện naycác hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di độngbăng rộng

1.2.Các phương thức đa truy nhập

Trong mỗi tế bào một BTS liên lạc với nhiều MS Qua giao diện vô tuyến MSthiết lập và thực hiện với bất kỳ thuê bao nào khác Việc phân chia các kênh liên lạccho mỗi MS được gọi là kỹ thuật đa truy nhập Có 5 phương thức đa truy nhập khácnhau:

1 Đa truy nhập phân chia theo không gian - SDMA

2 Đa truy nhập phân chia theo cực tính – PDMA Phục vụ các cuộc gọi theocác sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến

3 Đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA 4 Đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA 5 Đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA Trong đó có 3 phương pháp được sử dụng chủ yếu là :

a/FDMA (Fre quency Division Multiple Access)-Đa truy nhập phân chia theotần số.

Nguyên tắc: Phổ tần số cung cấp cho kênh thông tin được chia thành 2N kênhtần kế tiếp, giữa chúng có khoảng tần bảo vệ Mỗi người sử dụng được gán cho mộtkênh tần riêng N kênh kế tiếp dành cho hướng lên, N kênh dành cho hướng xuống.

Đặc điểm:

- Kênh tần số sử dụng trong thời gian liên lạc có thể thay đổi khi MS dichuyển từ một tế bào sang một tế bào bên cạnh (chuyển vùng).

- Nhiễu giao thoa do các kênh tần số kề nhau.

- BTS có nhiều bộ thu phát riêng cho mỗi MS làm việc trên một kênh tần sốriêng.

Đặc điểm:

- Tín hiệu truyền đều là tín hiệu số.

- Liên lạc song công, mỗi hướng ở các dải tần khác nhau.- Việc đồng bộ, trể rất phức tạp

Hình 1.2 Phổ tín hiệu TDMA

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống GSM (Global System for MobileCommunication).

c/CDMA (Code Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo mã

Nguyên tắc: Giao thức CDMA không chia sẻ phổ tần số hay thời gian mà nóphân chia bằng cách mỗi người sử dụng sẽ được phân biệt với nhau bằng các mãkhác nhau (mã trải phổ) Tín hiệu được trải phổ trên băng tần rộng Để thu được dữliệu ban đầu, thì máy thu phải dùng mã trải phổ chính xác như khi tín hiệu được xửlý ở bên máy phát Nếu mã trải phổ ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã trảiphổ tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể thu và hiểu được ở máythu.

Hệ thống điển hình cho công nghệ CDMA là IS-95.

1.3 Hệ thống thông tin tổ ong Cellular.

Quan niệm Cellular ra đời từ cuối những năm bốn mươi với Bell Thay cho mô

hình phát quảng bá với công suất lớn và ăng ten cao là những cell có diện tích bé cómáy phát BTS công suất nhỏ Khi các cell ở cách nhau một khoảng cách đủ xa thìcó thể sử dụng lại tần số.

Vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellular được chia thành nhiềuvùng phục vụ nhỏ, do mỗi trạm thu phát sử dụng ba anten thu phát, mỗi anten lạiđặt cách nhau 120 độ nên vùng phủ sóng có dạng một tổ ong hình lục giác được gọilà các cell Trong mỗi cell có một trạm gốc BTS BTS liên lạc vô tuyến với tất cảcác máy thuê bao di động MS có mặt trong cell MS có thể di động giữa các cell vànó phải được chuyển giao để làm việc với một BTS liền kề mà nó hiện đang trongcùng phủ sóng mà không làm gián đoạn cuộc gọi Các Cell kề nhau sử dụng tần sốkhác nhau, các Cell ở cách xa hơn một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụngcùng một tần số đó Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tănglên nhờ việc tái sử dụng tần số và do đó dung lượng thuê bao được phục vụ sẽ tănglên.

Hình 1.4 Hướng phát sóng của một trạm gốc

Hình 1.5 đưa ta một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gốc(BTS) Vùng phục vụ của một BTS được gọi là cell và nhiều cell được kết hợp lạithành vùng phục vụ của hệ thống Kích thước phủ sóng mỗi cell thay đổi tùy theovùng Một hệ thống tế bào bao gồm nhiều tế bào, mỗi tế bào có một trạm gốc vô

tuyến Các vùng được phủ sóng bởi các trạm có dạng tế bào nên người ta gọi là hệthống thông tin theo mô hình tế bào

Hệ thống tế bào ra đời giúp giảm chi phí hoạt động của các đài phát nhờ giảmcông suất phát, hệ thống làm việc mềm dẻo hơn., đặc biệt nó giải quyết bài toándung lượng Khi số thuê bao tập chung lớn trong một vùng chỉ cần chia nhỏ ô phủsóng nơi đó thành các tế bào con bằng cách thêm các trạm thu phát sóng và theo lýthuyết có thể đáp ứng được vô hạn số thuê bao.

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống thông tin tổ ong.

Mỗi vùng phủ sóng tế bào được đặc trưng bởi một phân hệ trạm gốc BSS, cáctrạm BSS này được liên kết với một phân hệ chuyển mạch NSS, các phân hệchuyển mạch NSS này lại liên kết với các cổng GATEWAY để kết nối với cácmạng khác khi cần.Sau đây là cấu trúc đặc trưng của hệ thống tổ ong GSM

Hệ thống điện thoại tế bào gồm:

1 MS : Máy di động gồm bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển.2 BSS : Hệ thống trạm gốc

- BTS : Đài vô tuyến gốc gồm các bộ thu/phát RF để kết nối MS với MSC,anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu.

- BSC : Đài điều khiển trạm gốc làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTSvà chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU.

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tổ ong (GSM)

- EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR có chức năng cho phép hoặc khôngcho phép MS vào mạng.

- MSC : Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động MSC xử lý các cuộc gọiđi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạtđộng của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào tổng đài củamạng PSTN MSC bao gồm:

+ Bộ điều khiển+ Bộ kết nối cuộc gọi+ Thiết bị ngoại vi

+ Cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước với cuộc gọi đã hoàn thành4 AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR.

5 OMC : Trung tâm vận hành và bảo dưỡng6 ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ

7 PSPDN : Mạng chuyển mạch công cộng theo gói 8 CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng 9 PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng10 PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng

Trong đó:

MS gồm bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển.

BTS gồm các bộ thu/phát RF để kết nối MS với MSC, anten, bộ điều khiển,đầu cuối số liệu.

BSC làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTS và chịu trách nhiệmchuyển đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU.

MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điềukhiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhậpvào tổng đài của mạng PSTN.

MSC bao gồm:- Bộ điều khiển- Bộ kết nối cuộc gọi- Thiết bị ngoại vi

- Cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước với cuộc gọi đã hoàn thành

MS, BTS, MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại vàsố liệu Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát (kênh có thể là RF hoặccũng có thể là CDMA hoặc TDMA); cặp kênh này có thể thay đổi khi MS dichuyển qua lại giữa các tế bào (chuyển vùng).

Bộ phận điều khiển của MSC sẽ điều khiển sắp đặt, quản lý hoạt động của toàn bộ hệ thống.

MSC kết nối để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau cácthuê bao di động và cố định, và trao đổi thông tin báo hiệu đa đường qua đường sốliệu giữa MSC và BS (Để liên lạc được với thuê bao của mạng điện thoại cố địnhcần phải có giao diện giữa MSC và PSTN ).

Việc trao đổi thông tin giữa BTS và MSC có thể thực hiện bằng đường truyền vô tuyến cố định (mircowave link) hoặc cáp.

HRL chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu một cách thường xuyên kể từ khi MS bắt đầu nhập mạng.

VLR chính là HLR lưu động, nó chỉ làm nhiệm vụ lưu giữ số liệu tạm thời khiMS lưu động.

AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR.

EIR có chức năng cho phép hoặc không cho phép MS vào mạng.

1.4 Sự phát triển của hệ thống thông tin cellular.

Hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên được đưa vào dùng sử dụngbăng tần 150 MHz tại Saint Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ đến 3

Năm 1948, một hệ thống điện thoại di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đờiở Richmond Indiana

Năm 1956 hệ thống lần đầu sử dụng băng tần 450 MHz, người sử dụng phảiấn nút để điện thoại viên kết nối cuộc gọi.

Từ những năm sáu mươi kênh thông tin di động có dải thông tần số 30 kHzvới kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp 4 lần sovới cuối thế chiến II

Năm 1964 hệ thống MJ ra đời, hoạt động trên băng tần 150 MHz có thể tựchọn kênh liên lạc nhưng vẫn cần điện thoại viên.

Năm 1969 hệ thống MK ra đời, hoạt động trên băng tần 450 MHz và hoàntoàn tự động.

Từ những năm bảy mươi, hệ thống Cellular kỹ thuật tương tự ra đời, tần sốđiều chế là 850MHz, FM Tương ứng là sản phẩm thương mại AMPS ra đời năm1983 Đến đầu những năm chín mươi một loạt các hệ thống ra đời như TACS,NMTS, NAMTS,

Tuy nhiên, do nhu cầu phát triển các hệ thống cũ không đáp ứng được các yêucầu ngày càng tăng do đó thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời sử dụng kỹ thuật sốvới những ưu điểm vượt trội Hệ thống thông tin di động Cellular thế hệ thứ hai có3 tiêu chuẩn chính: GSM, IS-5, JDC

Năm 1991 hệ thống GSM được công nhận ở Châu Âu và nhiều nước trên thếgiới.

Thế hệ ba bắt đầu từ những năm sau thập kỷ chín mươi là kỹ thuật số vớiCDMA và TDMA cải tiến Chuẩn của thế hệ thứ ba được công nhận năm 1999.

Hình 1.7 Lịch sử phát triển của mạng viễn thông qua các thế hệ.

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA

2.1 Kỹ thuật trải phổ

Phổ tần số vô tuyến là tài nguyên của từng quốc gia, khu vực, được quản lýtheo hướng dẫn của ITU Trên cơ sở các yêu cầu do ITU đặt ra, cơ quan quản lýviễn thông sẽ quy hoạch, cấp phát dải tần viễn thông của quốc gia cho các nhà khaithác Trước đây vấn đề này được giải quyết theo phương pháp cấp các băng tầnkhác nhau cho các dịch vụ khác nhau.Tuy nhiên do băng tần vô tuyến là hữu hạn,trong khi đó nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng ngày càng nhanh khi ra đời hệ thốngthông tin di động tế bào, các dịch vụ mới đòi hỏi một phương pháp mới để giảiquyết hiệu quả hơn vấn đề trên.

Kỹ thuật trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong lĩnh vực quân sự từnhững năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này đã được nghiên cứu và ápdụng thành công trong các hệ thống thông tin di động tế bào nhu nhu cầu cấp báchcủa việc giải quyết vấn đề cạn kiệt dung lượng trong GSM.

2.1.1 Khái niệm trải phổ

Một hệ thống được gọi là hệ thống trải phổ nếu có các đặc điểm sau :1 Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin.

2 Băng tần truyền dẫn được xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên,độc lập với thông tin được gửu đi Dãy mã trải phổ mã hoá tín hiệu thông tin Điềunày làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn, dẫn đến mậtđộ công suất thấp hơn.

Như vậy, bản chất của kỹ thuật trải phổ là sự thực hiện trải phổ tín hiệu ở phíaphát sau đó điều chế và phát đi Ở phía thu sẽ thực hiện nén phổ trở lại làm cho ảnh

hưởng của nhiễu bị tối thiểu hoá Từ những yếu tố đưa ra ở trên ta thấy rằng, phổcủa tín hiệu càng trải rộng ở phía phát và co hẹp lại ở phía thu thì càng có lợi về tỷsố tín hiệu/tạp âm (S/N).

Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bc và băng tần thông tin Bi được gọi là tăngích do xử lý (Gp) của hệ thống trải phổ

BiBcGp 

Máy thu sẽ thực hiện khôi phục thông tin ban đầu bằng việc tương quan giữatín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ đã được sử dụng ở phía phát Nhưvậy, máy thu chỉ khôi phục được thông tin khi nó biết được dãy mã trải phổ đã đượcsử dụng ở phía phát.

2.1.2 Các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ so với truyền dẫnbăng hẹp

a Khả năng đa truy nhập

Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trongcùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi ngườisử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tươngquan chéo đủ nhỏ Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng cohẹp lại trong khi các tín hỉệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tầntruyền dẫn Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sửdụng đang quan tâm là đủ lớn để có thể cho máy thu nhận được.

a Hai tín hiệu băng hẹp có cùng dải thông được phát đi tới 2 người sử dụng.b Hai tín hiệu được trải phổ từ các tín hiệu băng hẹp.

c Tín hiệu do cả hai người sử dụng thu cùng tại một điểm.

d Tại máy thu của người sử dụng thứ nhất chỉ có tín hiệu thứ nhất được néntrở lại phổ gốc tín hiệu ban đầu

Ta thấy rằng cùng một lúc có thể có hai tín hiệu cùng được truyền đi trongcùng một băng tần, nhưng tại máy thu chỉ có tín hiệu 1 được nén phổ trở lại và khôiphục được còn tín hiệu 2 vẫn như là nhiễu.

b Khả năng chống nhiễu đa đường

Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau: trực tiếp, phản xạ Các tínhiệu đa đường có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần sốvà giảm tín hiệu tại các tần số khác Nhờ đặc tính đó trong tín hiệu băng rộng đã tạora một sự phân tập tần số một cách tự nhiên có tác dụng chống pha đinh chọn lọc.

Việc tương quan chéo giữa mã trãi phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trảirộng công suất của tín hiệu băng hẹp Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trongbăng tần thông tin, tạp âm nền có phổ rộng sẽ bị giảm nhỏ.

Ở máy thu, sau khi nén phổ nhiễu từ các máy di động khác không được nénphổ cũng tương tự như tạp âm Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ nếu cóbăng tần trùng với băng tần (dải thông) của máy thu sẽ bị trải phổ, mật độ phổ côngsuất của nhiễu giảm xuống.

Vậy bản chất làm việc theo nguyên tắc trải phổ ở máy phát, nén phổ ở máythu làm cho ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm được tối thiểu hóa Tại máy thu tín hiệutrải phổ được nén phổ trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện nhưtạp âm nền so với tín hiệu mong muốn.

Hình 2.2 Minh họa khả năng chống nhiễu

e Khả năng chống nhiễu phá

Việc chống nhiễu phá (nhiễu do con người sinh ra) được khắc phục tương tựnhư nhiễu tự nhiên Những tín hiệu không có sự tương quan về dãy mã ngẫu nhiênđều bị trải rộng ra và trở thành nhiễu nền ở phía thu.

f Xác xuất phát hiện thấp

Vì mật độ công suất của tín hiệu thấp nên tín hệu trải phổ khó có thể bị pháthiện.

2.1.3 Cơ sở kỹ thuật trải phổ

Nhiễu Tin tức Nhiễu Tin tức

Hình 2.3 Mô hình kỹ thuật trải phổ

Tại bộ điều chế, tín hiệu dữ liệu X(t) có tốc độ K(bit/s) được nhân với mã trảiphổ g(t) có tốc độ chip Rp (chip/s) Giả thiết tốc độ băng truyền của X(t) và g(t) làR(Hz) và Rp(Hz) Nếu tín hiệu dữ liệu có băng hẹp hơn so với mã trải phổ thì tínhiệu sau khi trải phổ sẽ có độ rộng băng truyền của mã trãi phổ.

Tại bộ điều chế, tín hiệu được nhân với dãy mã trãi phổ là bản sao đồng bộvới mã trãi phổ ở phía phát Giả sử việc nhân là lý tưởng, nghĩa là tín hiệu mongmuốn sẽ được nén phổ và tất cả các tín hiệu không mong muốn (nhiễu) sẽ được trãirộng ra Do đó mật độ phổ công suất của tín hiệu sau khi nén được tăng lên còn cácthành phần không mong muốn bị giảm đi, rõ ràng tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) ở đầura của máy thu được cải thiện.

2.1.4 Các hệ thống thông tin trải phổ

 Trải phổ dãy trực tiếp : tín hiệu mang thông tin được nhân trực tiếp mã trảiphổ tốc độ cao.

 Trải phổ nhảy tần : Mã trải phổ điều khiển bộ tạo dao động sóng mang làmtần số sóng mang thay đổi, sau đó sóng mang này lại được điều chế với dữ

 Trải phổ dịch thời gian : Trong kỹ thuật này, dữ liệu có tốc độ dòng bit khôngđổi R được phân phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn thời gian cần thiếtđể truyền đi dòng tin này bằng cách truyền dẫn thông thường Dòng bit sốđược gửi đi theo sự điều khiển của mã nhảy thời gian Vì vậy có thể nói dòng

Dữ liệu X(t)

Mã trải phổ g(t) tốc độ chíp Rp

Mã trải phổ g(t) tốc độ chíp RpTín hiệu trên

phổ băng rộng Bộ lọc

Độ rộng băng R

Tín hiệu khôi phụcTốc độ K (bps)

bít đã bị trải ra theo thời gian và phía thu bất hợp pháp không thể biết tập condữ liệu nào đang được sử dụng.

 Hệ thống lai : Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid củahệ thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tínhtiện lợi của mỗi hệ thống Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệthống tổng hợp bao gồm (1) FH/DS, (2) TH/FH và (3) TH/DS Các hệ thốngtổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà mộthệ thống không thể có được Một mạch không cần phức tạp lắm có thể baogồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước.

2.1.4.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS)

Trong giao thức DS-CDMA, tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã trảiphổ, sau đó, tín hiệu thu được điều chế sóng mang băng rộng.

Hình 2.4.Sơ đồ máy phát/thu DS-SS.

Bộ điều chế băng rộng thường là bộ điều chế PSK.

Điều chế băng rộngBộ tạo

Tạo sóng mangDữ liệu

nhị phân

Đồng bộ mã

Giải điều chếTạo sóng

Giải mã điều chế

Bộ tạo mã

Dữ liệu

Hình 2.5 Tín hiệu trải phổ SS điều chế BPSK

Trong đó, điều chế băng rộng sử dụng là BPSK và tốc độ chip gấp 10 lần tốcđộ thông tin.

Máy thu thực hiện giải điều chế sóng mang đối với tín hiệu thu từ anten, sauđó sử dụng giải điều chế nhất quán để nén tín hiệu trải phổ, sử dụng dãy mã nội bộ,được đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu được Điều này được thực hiện bởi khốibám và đồng bộ mã.

Trong hệ thống này, tín hiệu nhị phân được nhân với chuỗi nhị phân giả ngẫunhiên có tốc độ bit lớn hơn rất nhiều.

Ưu điểm của DS-CDMA:

-Việc mã hoá dữ liệu đơn giản có thể thực hiện bằng một bộ nhân.-Bộ tạo sóng mang là đơn giản do chỉ có một sóng mang được phát đi.-Có thể thực hiện việc giải điều chế nhất quán tín hiệu trải phổ.

Nhược điểm của DS-CDMA:

-Khó đồng bộ giữa tín hiệu mã nội bộ và tín hiệu thu.

-Do nhược điểm trên kết hợp với đặc điểm các băng tần liên tục lớn không sẵncó nên băng tần trải phổ bị hạn chế là 10-20 MHz.

-Người sử dụng ở gần BS sẽ phát mức công suất lớn hơn nhiều so với nhữngngười sử dụng ở xa Vì một thuê bao sẽ truyền dẫn trên toàn bộ băng tần một cách

Dữ liệuTín hiệu mãDữ liệu x Mã

Tín hiệu điều chế BPSK

liên tục nên người sử dụng ở gần BS sẽ gây nhiễu lớn cho những người sử dụng ởxa BS Hiệu ứng gần-xa này có thể được khắc phục bằng cách áp dụng thuật toánđiều khiển công suất trong đó mức độ công suất trung bình mà BS nhận từ mỗi BSlà giống nhau.

2.1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS)

Trong giao thức này, tần số sóng mang (được điều chế bởi tín hiệu thông tin)thay đổi theo chu kỳ Cứ sau khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới mộtgiá trị khác Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết định.

Hình 2.6 Sự chiếm dụng thời gian/tần số của các hệ thống FH&DS.

Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS-SS và FH-SS khác nhau Hệthống DS chiếm dụng toàn bộ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyềndẫn Như vậy công suất mà 2 hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bìnhlà như nhau.

Dữ liệu được điều chế băng gốc bởi một sóng mang Tần số sóng mang đượcbiến đổi lên tần số truyền dẫn nhờ bộ tổng hợp tần số, được điều khiển bởi mã trảiphổ.

Tại phía thu, tín hiệu nhận được được đổi tần xuống tần số sóng mang bănggốc nhờ bộ tổng hợp tần số điều khiển bởi mã trải phổ, tạo ra bởi bộ phát mã nội bộmáy Sau khi giải điều chế sóng mang băng gốc thu được dữ liệu ban đầu Bộ bámđồng bộ đảm bảo rằng việc nhảy tần của sóng mang nội đồng bộ với sóng nhậnđược.

Có hai loại nhảy tần được phân biệt dựa vào tốc độ nhảy tần của sóng mang lànhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH.

Với F-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu.Do đó, nhiều tần số được truyền đi trong thời gian một bit.

Với S-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữliệu Do đó, nhiều bit được truyền đi ở một tần số.

Hình 2.7.Sơ đồ khối máy phát và thu FH-CDMA.

Ưu điểm của FH-CDMA

- Đồng bộ của CDMA dễ dàng hơn nhiều so với DS-CDMA Với CDMA việc đồng bộ được thực hiện trong từng khoảng thời gian bước nhảy tần Vìviệc trải phổ dành được không phải do sử dụng tần số nhảy tần cao mà do sử dụngmột tổ hợp rất lớn các tần số nên thời gian bước nhảy tấn số lớn hơn nhiều so vớithời gian chip của hệ thống DS-CDMA Do đó, FH-CDMA cho phép một tỷ lệ lỗiđồng bộ lớn hơn.

FH Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là những băng tầnlân cận nhau Kết hợp với ưu điểm dễ đồng bộ nên FH-CDMA cho phép làm việcvới các băng tần trải phổ lớn hơn nhiều so với DS-CDMA.

- Do hệ thống cho phép sử dụng một băng tần lớn hơn nên nó có khả năngloại trừ nhiễu băng hẹp tốt hơn so với hệ thống DS.

Nhược điểm của FH-CDMA

- Hệ thống yêu cầu bộ tổng hợp tần số phức tạp.- Việc giải điều chế nhất quán khó thực hiện

2.1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian (TH/SS)

Bộ biến đổi lênĐiều chế

băng gốc

Tổng hợp tần số

Bộ phát mãBộ biến

đổi xuống

Tổng hợp tần số

Giải điều chế dữ liệuBộ phát

mãDữ

Dữ liệu

Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộphát, thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫunhiên theo mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình Sự khácnhau nhỏ so với hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổitheo mỗi thời gian chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trongtrạng thái dịch chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS Hình 2.11 là sơ đồ khối củahệ thống TH/SS Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng chophép điều chế xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS

Hình 2.8 Hệ thống TH đơn giản

TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênhtheo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệthống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát Mã hoá nên được sử dụng mộtcách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phươngpháp như các hệ thống thông tin mã hoá khác.

2.1.4.4 Hệ thống lai (Hybrid)

Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS vàFH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệthống Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm(1) FH/DS, (2) TH/FH, (3) TH/DS

Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặctính mà một hệ thống không thể có được Một mạch không cần phức tạp lắm có thểbao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước

2.2 Tổng quan công nghệ CDMA2.2.1 Khái niệm CDMA

CDMA là hệ thống đa truy nhập theo mã dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ,các thuê bao sử dụng chung tần số và thời gian và được phân biệt nhau bằng mộtmã duy nhất gọi là mã trải phổ (hay dãy tạp âm giả ngẫu nhiên PN) Lý thuyết vềCDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tinquân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lýthuyết thông tin trong những năm1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phươngpháp thu GPS và Ommi-Mỹ vào năm 1990.

Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh nàycũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên Một kênh CDMArộng 1,23MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27MHz, tổng cộng 1,77MHz CDMAdùng mã trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) 1,2288MHz Dòng dữ liệu gốc được mãhoá và điều chế ở tốc độ cắt Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra của máy phátPN.

Để nén phổ trở lại dữ liệu gốc thì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xácnhư khi tín hiệu được xử lý ở máy phát Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc khôngđồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được.

Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dảitần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc, ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén trởlại về phổ của tín hiệu gốc.

Hình 2.9 Sơ đồ phát/thu CDMA

2.2.2 Các đặc tính của CDMAa Tính đa dạng của phân tập

Trong hệ thống thông tin vô tuyến băng hẹp, tính đa đường tạo nên fadingnghiêm trọng Với hệ thống CDMA, fading đa đường giảm đáng kể do ở phía thucác tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập Tuy nhiên,hiện tượng này không thể loại trừ hoàn toàn do fading xảy ra một cách liên tục nênbộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập được.

Để giải quyết vấn đề này mà không phải tăng công suất, khoảng cách tái sửdụng kênh, một hình thức được sử dụng tốt nhất là phân tập Có 3 loại phân tập là:

Phân tập thời gian

Đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai Việc chèn dữ liệu làm nângcao chất lượng của việc sửa lỗi bằng cách trải các lỗi trên trục thời gian Các lỗitrên thực tế thường xuất hiện khi gặp chướng ngại vật, do đó khi số liệu được tách,các lỗi trải ra trên một khoảng thời gian lớn hơn Trong CDMA sử dụng phươngpháp mã hoá xoắn trong bộ phát và giả mã Viterbi.

Phân tập tần số

Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộngcông suất tín hiệu trong một băng tần rộng Mặt khác nhiễu trong thời điểm nhấtđịnh chỉ sảy ra tại một đoạn băng tần hẹp cụ thể nào đó Do vậy các sự giảm tínhiệu vô tuyến chỉ ảnh hưởng tới một phần độ rộng băng tín hiệu CDMA, phần lớn

Mã hóa và chèn

Nguồn PN

Nguồn PN

Mã hóa và chèn

Sóng mang Sóng mangBPF BPF

1.25M 1.25M

Nguồn PN1.288Mbps

1.288Mbps9.6 Kbps

thông tin là nhận được Kết quả là với một phần nhỏ thông tin bị sai lệch thì tại đầuthu ta dễ dàng khôi phục lại thông tin ban đầu.

Phân tập không gian

Phân tập theo không gian hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3phương pháp sau:

- Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy diđộng đồng thời với hai hoặc nhiều BTS

- Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thuquét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.

- Đặt nhiều anten tại BS Mỗi trạm thu phát sử dụng 2 anten thu để loại bỏfađing tốt hơn.

b Điều khiển công suất

Trong thiết kế hệ thống thông tin di động có một vấn đề đặt ra là hiện tượnghiệu ứng gần xa trong thông tin di động CDMA Giả sử trong hệ thống có hai đốitượng sử dụng cùng liên lạc với trạm gốc, một đối tượng ở gần còn một đối tượng ởxa trạm gốc nhiều hơn Khi mức công suất tín hiệu của đối tượng ở gần có thể lớnhơn mức độ tín hiệu của máy di động ở xa hàng chục dB Kết quả là trạm gốc cókhả năng thu tốt tín hiệu của máy thu ở gần Do mức tín hiệu của máy thu ở gần làrất lớn, cả hai máy thu cùng sử dụng chung băng tần ở chế độ không đồng bộ nênmức nhiễu nền của máy thu thứ nhất gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lưọng máy thuthứ hai và dẫn đến tỷ lệ lỗi bit của máy thu thứ hai rất cao.

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (từ BS đếnMS và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lưu lượng lớn, chấtlượng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích khác Mục đích của điều khiển công suấtphát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di động sao cho tín hiệuphát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ ở mức thấp nhất cần thiết,vừa đủ để đảm bảo yêu cầu tối thiểu mà không gây ra nhiễu quá mức lên các tínhiệukhác Như vậy sẽ đảm bảo tỷ lệ tín hiệu/nhiễu giao thoa cực tiểu cần thiết tại cáctrạm gốc

Đối với tuyến lên điều khiển công suất có hai chức năng:

- Cân bằng công suất mà BS nhận từ mỗi MS, nhờ đó khắc phục hiệu ứnggần xa, hiệu ứng che khuất tăng dung lượng hệ thống.

- Tối thiểu hoá mức công suất phát đi bởi mỗi MS sao cho vẫn đảm bảochất lượng dịch vụ tin cậy Nhờ đó giảm nhiễu đồng kênh, tăng dung lượng tránhnguy hại cho sức khoẻ, kéo dài tuổi thọ nguồn công suất MS

Đối với tuyến xuống điều khiển công suất :

- Đảm bảo phủ sóng với chất lượng tốt cho những vùng tồi nhất trong vùngphục vụ.

- Tạo khả năng dàn trải lưu lượng giữa các ô có lưu lượng tải không bằngnhau trong vùng phục vụ bằng việc điều khiển nhiễu xuyên ô đối với các ô có tảinặng.

- Tối thiểu hoá mức công suất cần thiết mà vẫn đảm bảo chất lượng dịchvụ tốt Nhờ đó giảm nhiễu ô lân cận, tăng dung lượng hệ thống, tác hại tới sức khoẻ.Điều khiển công suất phát của MS trong hệ thống CDMA có ba phương pháp:- Điều khiển công suất mạch vòng hở chỉ có trạm di động tham gia.- Điều khiển công suất mạch vòng kín có cả trạm di động và trạm gốctham gia.

- Điều khiển công suất đường xuống trong đó có sự tham gia của trạm diđộng và trạm gốc.

c Công suất phát thấp

Trong hệ thống CDMA, khi giảm tham số Eb/No (tương ứng tỷ số tínhiệu/nhiễu) tới mức chấp nhận được sẽ làm tăng dung lượng hệ thống đồng thời làmgiảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa, nghĩa là giảm côngsuất phát yêu cầu đối với máy di động Điều này sẽ dẫn đến giảm giá thành MS vàcho phép nó hoạt động vùng rộng hơn với công suât thấp khi so với hệ thống tươngtự hoặc TDMA có cùng công suất.

Ưu điểm của hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát trung bình: trong hệthống băng hẹp thông thường, công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phụcfading tạo ra theo thời gian; với hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể

giảm vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công suất phátsẽ tăng khi có fading.

d Bộ mã hoá-giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi

CDMA tận dụng thời gian lặng trong cuộc đàm thoại để nâng cao dung lượngcủa hệ thống Bộ mã hoá-giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với tốcđộ biến đổi 8Kbps Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thôngtin thoại có sử dụng thuật toán mã hoá-giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi độnggiữa BS và máy di động

Hai bộ mã hoá-giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc truyền dẫn: 9600bps,4800bps, 2400bps, 1200bps Các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động vàtheo bản tin hoặc số liệu (thuật toán dùng cho CDMA là QCELP) Bộ mã hoá-giảimã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thích để chọn tốc độ số liệu Khi thuê baođang đàm thoại tốc độ dữ liệu là 9600 bit/s Khi thuê bao tạm ngừng hoặc đangnghe thì tốc độ dữ liệu giảm xuống còn 1200 bit/s Tốc độ dữ liệu 2400 và 4800cũng được sử dụng nhưng không thường xuyên bằng hai tốc độ trên.Tốc độ dữ liệudựa trên hoạt động điện đàm cứ 200 ms việc quyết định tốc độ lại thực hiện lại Cáccuộc đàm thoại thông thường có hệ số xấp xỉ 40%.

Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp âm và tốc độ số liệu sẽ chỉchuyển đổi thành truyền dẫn thoại chất lượng cao trong trường tạp âm.

e Bảo mật cuộc gọi

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao và về cơ bản làtạo ra xuyên âm, mỗi máy được cung cấp mã riêng, việc sử dụng máy thu tìm kiếmvà sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó trong hệ thống CDMA vì tín hiệu CDMAđã được trộn với mã ngẫu nhiên Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khảnăng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác tiêu chuẩn đề xuất gồm khảnăng xác nhận và bảo mật cuộc gọi được định rõ trong EIA/TIA IS-54B Có thể mãhoá kênh thoại dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc công nghệ mã tiêu chuẩn khác.Trong công nghệ CDMA sử dụng 3 loại mã để điều chế, định kênh, mã hóa là mã

Walsh, mã PN, mã Turbo tạo thành 3 loại chìa khóa hữu hiệu để chống truy nhậptrái phép Do đó nó được ứng dụng trong thông tin quân sự.

f Chuyển vùng mềm và mềm hơn

Khi một thuê bao đi ngang qua biên giới giữa hai trạm gốc sẽ sảy ra quá trìnhchuyển vùng-quá trình MS chuyển sang một kênh lưu lượng mới nhằm đảm bảotuyến vô tuyến có chất lượng tốt.

Chuyển vùng cứng: trong các hệ thống analog và GSM do sử dụng các tần sốkhác nhau tại các cell liền kề cho nên khi MS vượt qua vùng biên một cell và đi vàovùng phủ sóng của một cell khác, thì cần được chuyển mạch tới một kênh kháctrong trạm phủ sóng mới quá trình chuyển vùng thực hiện thông qua các mệnh lệnhcho MS điều chỉnh tới tần số mới Quá trình chuyển tới tần số mới làm cho kênhlưu lượng gián đoạn trong thời gian ngắn, do đó gây lỗi dữ liệu hoặc mất đồng bộdữ liệu.

Chuyển vùng mềm: khi một thuê bao CDMA đi ngang qua biên giới giữa hai

trạm gốc sẽ sảy ra quá trình chuyển vùng mềm Chuyển vùng mềm là sự nối cuộcgọi được hoàn thành trước khi từ bỏ kênh cũ Quá trình chuyển giao này có thể

thực hiện được bởi vì các cell kề nhau cùng sử dụng chung một tần số.

Đối với hệ thống CDMA, các đặc tính của thông tin trải phổ cho phép MSnhận thông tin từ hai hoặc nhiều hơn các BS đồng thời Nhờ khả năng này mà MScó thể chuyển vùng từ BS này sang BS khác, từ sector này sang sector khác màkhông gây ra sự xáo trộn nào lớn về các thông tin thoại và dữ liệu.

Trong hệ thống CDMA có chuyển vùng mềm và mềm hơn

Chuyển vùng mềm: xuất hiện khi một BS mới bắt đầu thông tin với MStrong khi MS vẫn tiếp tục thông tin với BS cũ MS sẽ thông tin với 2 BS tức là liênlạc giữa MS và BS xảy ra đồng thời ở hai kênh của giao diện vô tuyến từ hai BSkhác nhau.

Hình 2.10.Chuyển vùng mềm

- Chuyển vùng mềm hơn: trong chuyển vùng này MS ở vùng chồng lấn giữahai vùng phủ sóng của hai sector của BS Liên lạc của MS và BS xảy ra đồng thờitrên hai kênh của giao diện vô tuyến của hai sector khác nhau Vì thế cần sử dụnghai mã đường xuống khác nhau để MS có thể phân biệt được hai tín hiệu.

g Tách tín hiệu thoại

Trong thông tin hai chiều song công tổng quát, tỷ số chiếm dụng tải của tínhiệu thoại không lớn hơn 35% do đó quá trình đàm thoại người nói và người nghecó khoảng dừng Hệ thống CDMA có hệ thống chuyển mạch tắt làm việc nên giaothoa ở người sử dụng khác giảm đi đáng kể Dung lượng hệ thống CDMA tăngkhoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm đi là 1/2 vìdung lượng được xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác.

h Giá trị Eb/No thấp và chống lỗi

Tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất của phương điều chế và mã hoá số là xác địnhtỷ số Eb/No, tỷ số của năng lượng trên mỗi bit đối với mật độ phổ công suất tạp âm.Với các hệ thống băng hẹp độ rộng kênh bị giới hạn, chỉ các mã sửa sai cóhiệu suất và độ dư thấp là được phép sử dụng sao cho giá trị Eb/No cao hơn giá trịmà CDMA yêu cầu.

Với hệ thống CDMA cung cấp một hiệu suất và độ dư thừa mã sửa sai cao dođộ rộng kênh băng tần cao Mã sửa sai được sử dụng trong CDMA cùng với giảiđiều chế số liệu hiệu suất cao có thể tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu vớiMS nhờ giảm Eb/No.

i Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong CDMA Giao thoa tổng ởtín hiệu MS thu được từ MS là tổng giao thoa tạo ra trong các máy MS khác ở cùngBS và giao thoa tạo ra trong các máy MS của BS bên cạnh Tín hiệu của mỗi máy diđộng giao thoa với tất cả tín hiệu của MS khác.Giao thoa tổng từ tất cả các máy didộng bên cạnh bằng 1/2 của giao thoa tổng từ các máy MS khác trong cùng BS.

Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định hướng là tỷ số nhiễu trêngiao thoa của các máy di động trong cùng một trạm gốc, (khoảng 65%), đó là giaothoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS với giao thoa từ tất cả cácBS.

Hình 2.11 Giao thoa từ BS bên cạnh

Giao thoa từ mỗi BS trong vòng biên thứ nhất tương ứng với 6% của giaothoa tổng Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, vàgiao thoa tổng do vòng thứ 2 và vòng ngoài là nhỏ hơn 4% Trong trường hợp antencủa BTS là định hướng (tức là búp sóng anten 120 o) thì giao thoa trung bình giảmxuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong BS Dođó, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần (Thật ra chỉ là2,55 lần do sự chồng chập các anten lân cận).

j Dung lượng

Việc tái sử dụng lại tần số trong hệ thống tổ ong cho phép có một mức độ giaothoa nhất định để mở rộng dung lượng có điều kiện CDMA điều khiển giao thoahiệu quả hơn hệ thống FDMA, TDMA.

2% K2

6%

0,03%

Hiệu quả tái sử dụng tần số trong hệ thống CDMA được xác định bởi tỷ số tínhiệu/nhiễu tạo ra không chỉ từ một BS mà từ tất cả người sử dụng trong vùng phụcvụ.

Do một số chất lượng lớn người sử dụng được xem xét, thì số liệu thống kêcủa tất cả người sử dụng là rất quan trọng Vì vậy, số lượng thấp được chấp nhận vàgiao thoa tổng cộng trên một kênh được tính bằng việc nhân công suất thu trungbình của tất cả người sử dụng với số lượng người sử dụng Nếu tỷ số công suất thuđược với cường độ công suất tạp âm trung bình mà lớn hơn ngưỡng thì kênh đócung cấp một chất lượng tốt Nói cách khác thì giao thoa trong CDMA và TDMAtuân theo quy luật số lượng nhỏ, và tỷ lệ thời gian không đạt chất lượng tín hiệu dựđịnh được xác định trong trường hợp xấu.

Các tham số chính xác định dung lượng hệ thống CDMA: Độ lợi xử lý, Eb/No(gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tầnsố, số lượng búp sóng anten BS Hơn nữa, càng nhiều kênh thoại được cung cấptrong hệ thống CDMA có cùng 1 tỷ lệ cuộc gọi bị chặn thì càng nhiều dịch vụ thuêbao được cung cấp trên 1 kênh.

k Dung lượng mềm

Với các hệ thống thông tin tương tự và TDMA, khi nhu cầu thuê bao trong tếbào tăng lên đột ngột, lúc đó hệ thống không có khả năng xử lý, dẫn đến trạng tháitắc nghẽn cuộc gọi.

Trong hệ thống CDMA có mối liên quan giữa số lượng người sử dụng và dịchvụ Khi số lượng MS tăng lên, hệ thống CDMA có thể thoả mãn cuộc gọi thêm nhờviệc tăng tỷ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành.

Đồng thời hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chấtlượng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định công suất (dung lượng) nhiềucho những người sử dụng dịch vụ lớp cao Có thể cung cấp thứ tự dịch vụ ưu tiêncao hơn đối với dịch vụ chuyển vùng của người sử dụng lớp dịch vụ cao so vớingười sử dụng dịch vụ thông thường.

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA UMTS W-CDMA

W-CDMA (UMTS) là tiến hoá của GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệba W-CDMA được đề xuất hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song côngphân chia theo tần số (FDD: Frequency Division Duplex) và ghép song công phânchia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex) Cả hai giao diện này đều sửdụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng trải phổ chuỗi trực tiếp(DS-CDMA) Giải pháp FDD được triển khai rộng rãi còn giải pháp TDD chủ yếudùng cho các ô quy mô nhỏ như ô micro hay ô picro Trong khuôn khổ đề tài này tachỉ xét giải pháp FDD

Giải pháp FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cáchnhau 190 MHz: đường lên sử dụng dải tần từ 1920MHz đến 1980MHz, đườngxuống sử dụng dải tần từ 2110 MHz đến 2170 MHz, khoảng phân cách giữa đườnglên và đường xuống là 190 MHz Mặc dù sóng mang 5 MHz là sóng mang danhđịnh nhưng chúng ta có thể sử dụng sóng mang từ 4,4 MHz đến 5MHz để sử dụngtừng bước sóng mang 200 KHz Việc chọn độ rộng băng thích hợp sẽ cho phép tatránh được nhiễu giao thoa, nhất là nhiễu giao thoa giữa các nhà khai thác khácnhau

Khác với FDD phải sử dụng cặp sóng mang cho truyền dẫn song công, TDDchỉ sử dụng một sóng mang cho truyền dẫn song công tức là đường lên và đườngxuống chỉ sử dụng chung một băng tần Giải pháp này sử dụng các tần số nằm trongdải 1900MHz đến 1920MHz và từ 2010MHz đến 2025MHz Nguyên lý FDD vàTDD được minh họa ở các Hình 3.1

Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của FDD (a) và TDD (b)

Giao diện không gian của W-CDMA hoàn toàn khác với GSM và GPRS, W-CDMA sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là3,84Mcps Ở W-CDMA mạng truy nhập vô tuyến được gọi là UTRAN (UMTSTerrestrial Radio Access Network) Các phần tử của mạng UTRAN rất khác so vớicác phần tử của mạng truy nhập vô tuyến GSM Vì vậy khả năng sử dụng lại cácBTS và BSC ở GSM là rất hạn chế, một số nhà sản suất có kế hoạch cung cấp GSMBTS cho W-CDMA nhưng con số này rất hãn hữu, đa số các nhà sản suất thay thếGSM BTS bằng RNC mới cho mạng W-CDMA

Tốc độ chip của hệ thống là 3,84 Mcps, độ dài khung là 10 ms, mỗi khungchia ra thành 15 khe (256 chip/slot ở tốc độ chip là 3,84Mcps) Hệ số trải phổ từ256 đến 4 ở đường lên và từ 512 đến 4 ở đường xuống Do đó, tốc độ ký hiệu điềuchế tương ứng biến đổi từ 960 Ksymbols/s đến 15 Ksymbols/s đối với đường lênFDD Để phân biệt các kênh từ cùng một nguồn, sử dụng mã định kênh dựa trên cơsở kỹ thuật hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF) Đường xuống, mã Gold vớichu kỳ 10ms được sử dụng để phân biệt các ô khác nhau Đường lên, mã Gold hoặccác mã ngắn luân phiên với chu kỳ 256 chip được dùng để phân biệt các UE khácnhau

Về mặt mã hoá kênh thì có ba tuỳ chọn được hỗ trợ: mã vòng, mã xoắn và mãturbo Việc lựa chọn loại mã hoá kênh nào là tuỳ thuộc vào các lớp trên

Khoảng cách sóng mang danh định là 5MHz nhưng có thể điều chỉnh bằng một mành 200KHz tuỳ theo yêu cầu của nhiễu kênh lân cận, khoảng cách sóngmang có thể thay đổi từ 4,2MHz đến 5,4MHz.

W-CDMA sử dụng rất nhiều kiến trúc của mạng GSM/GPRS hiện có chomạng của mình, các phần tử như MSC, HLR, SGSN, GGSN có thể được nâng cấptừ mạng GSM/GPRS hiện có để có thể hỗ trợ đồng thời W-CDMA và GSM/GPRStrong giai đoạn đầu triển khai mạng W-CDMA

3.1.1Các thông số chính của WCDMA

 WCDMA là hệ thống trải phổ dãy trực tiếp băng CDMA).Các bít thông tin của người sử dụng được trải trên 1 băng rộng bằngcách nhân dữ liệu người sử dụng với chuỗi dãy bít giả ngẫu nhiên(chíp) thutừ mã trải phổ của CDMA.

rộng(DS- Tốc độ chíp của WCDMA là 3.84Mcps với độ rộng băng thônglà 5MHz trong khi đó hệ thống trải phổ DS-CDMA có độ rộng băng thôngkhoảng 1MHz.Các sóng mang băng rộng của WCDMA có khả năng truyềntải dữ liệu với tốc độ cao.

 WCDMA hỗ trở truyền dữ liệu với tốc độ bít thay đổi nghĩa làđộ rộng băng thông thay đổi theo yêu cầu.Mỗi thuê bao sẽ được ấn định cáckhung có thời gian 10ms và trong khoảng thời gian đó tốc độ bít dữ liệukhông thay đổi.Khi nhu cầu truyền tải bít dữ liệu tăng, thuê bao có thể thayđổi từ khung này sang khung khác.

 WCDMA có hai loại ghép song công phân chia theo tần sốFDD(Frequency Division Duplex) và ghép song công phân chia theo thờigian TDD(Time Division Duplex).

 WCDMA sử dụng phát liên kết cho cả đường lên và đườngxuống

 WCDMA được thiết kế để triển khai cùng GSM do vậy hỗ trợchuyển giao giữa GSM và UMTS

Bảng sau Giới thiệu các tham số chủ yếu của WCDMA:

WCDMA dùng các mãPN khác nhau để phân biệt cell,phân biệt người dùng(WCDMA vận hành dị bộ).Băng tần kênh

5; 10; 15; 20 MHz

Cấu trúc kênh RF hướng

Ghép kênh hướng lên Kênh điều khiển và pilot ghép thời gianGhép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điềukhiển

Đa tốc độ Trải phổ biến đổi và đa mã

Điều khiển công suất Trảiphổ (hướng xuống)

Vòng hở và vòng khép kín (1.6 kHz) Mã trựcgiao dài để phân biệt kênh, mã Gold 218 Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold

241

Chuyển giao Chuyển giao mềm Chuyển giao khác tần số

Hình 3.2 Lược đồ các tham số trong WCDMA

Môi trường hoạt động của W-CDMA được chia làm 4 vùng:

 Vựng 1 : Trong nhà, ụ picụ, Rb2Mbps, Mbps, <50m.

 Vựng 2 : thành phố, ụ micro Rb384kbps,kbps, <1km.

 Vựng 3 : ngoại ụ, ụ macro, Rb14kbps,4kbps, kbps, <35km.

 Vựng 4 : Toàn cầu, Rb=9,6 kbps, >35km Cỏc dịch vụ mà W-CDMA mang lại:

Dịch vụ

di động động Dịch vụ di cuối Di động dịch vụ/di động cá nhân/ di động đầu Dịch vụ

thông tin định vị

Dịch vụ theo dõi di động/dịch vụ theo dõi di động thông minh

Dịch vụ viễn thông

Dịch vụ

âm thanh -Dịch vụ âm thanh chất lợng cao (16-64kbps, kbps)-Dịch vụ truyền thanh AM (32Mbps, -64kbps, kbps)-Dịch vụ truyền thanh FM (64kbps,-384kbps, kbps)Dịch vụ số

-Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình(64kbps,-14kbps,4kbps, kbps)-Dịch vụ số liêu tốc độ tơng đối cao(384kbps,-2Mbps, Mbps)

-Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥2Mbps, Mbps)Dịch vụ đa

phơng tiện

-Dịch vụ video (384kbps, kbps)

-Dịch vụ hình chuyển động (384kbps, kbps-2Mbps, Mbps)-Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (≥2Mbps, Mbps)

Dịch vụ I

nternet Internet đơn Dịc vụ giản

Dịch vụ thâm nhập Wed (384kbps,kbps-2Mbps, Mbps)Dịch vụ

Internet thời gian thực

Dịch vụ Internet (384kbps, kbps-2Mbps, Mbps)Dịch vụ

Internet đa ơng tiện

ph-Dịch vụ Wedsite đa phơng tiện thời gian thực (≥2Mbps, Mbps)

b/ Trải phổ và giải điều chế trải phổ trong WCDMA

Hỡnh 3.3 miờu tả nguyờn lý của trải phổ ( thực chất là quỏ trỡnh nộn phổ) trongDS-CDMA Quỏ trỡnh trải phổ trong vớ dụ này là trải phổ BPSK, do vậy tớn hiệu trảiphổ thu được bằng cỏch nhõn tớn hiệu cần truyền với một dóy PN gồm 4 bit Nhưvậy tớn hiệu trải phổ của chỳng ta sẽ cú tốc độ là 4*R ( R là cỏc bit dữ liệu) và cú độngẫu nhiờn như mó trải phổ Tớn hiệu băng rộng này sẽ được truyền đi tới đầu phỏt.Tại đầu thu quỏ trỡnh nộn tớn hiệu được thực hiện bằng cỏch nhõn tớn hiệu thu đượcvới dóy mó mà ta dựng để trải phổ tớn hiệu và kết quả là ta thu được đỳng tớn hiệumà ta muốn truyền đi từ phớa phỏt Tuy nhiờn muốn kết quả thu được chớnh xỏc phảithực hiện việc đồng bộ giữa bờn phỏt và thu.