Hệ thống trải phổ rộng WCDMA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA Hệ thống trải phổ băng rộng WCDMA Vinh, 5-2010 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VIỆT BẮC Lớp 46K - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: KS. NGUYỄN PHÚC NGỌC 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp nhiều cản trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa các dịch vụ như Internet, truyền hình . Để tận dụng được tính năng của hệ thống 2G khi chuyển hướng sang 3G cần thiết có một giải pháp trung chuyển. Các nhà khai thác mạng GSM có thể bắt đầu chuyển từ GSM sang 3G bằng cách nâng cấp hệ thống mạng lên GPRS (Dịch vụ vô tuyến chuyển mạch gói), tiếp theo là EDGE (tiêu chuẩn 3G trên băng tần GSM và hỗ trợ dữ liệu lên tới 384kbit) và UMTS (công nghệ băng thông hẹp GSM sử dụng truyền dẫn CDMA), và WCDMA. 3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông rộng hơn cho người sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao,… Thế giới đang có 2 hệ thống 3G được chuẩn hóa song song tồn tại, một dựa trên công nghệ CDMA còn gọi là CDMA 2000, chuẩn còn lại do dự án 3rd Generation Partnership Project (3GPP) thực hiện. 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn UTRA - UMTS Terrestrial Radio Access TS. Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến. Một trong số đó được gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA). Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng W-CDMA em đã thực hiện đồ án: “Hệ thống trải phổ băng rộng WCDMA ”. Đồ án này gồm có 5 chương: Chương 1 : Gới thiệu các hệ thống thông tin di động Chương 2 :công nghệ di đông thế hệ 3 WCDMA Chương 3 : Các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống 3G-WCDMA Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA Chương 4 : Quy hoạch mạng WCDMA và so sánh hệ thống UMTS với GSM2G Chương 5 :Hướng phát triển của WCDMA Do trình độ và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các quý thầy (cô) và sự góp ý của các bạn bè để em hoàn thiện đồ án này hơn nữa. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ks.NGUYỄN PHÚC NGỌC đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh ngày … tháng ….năm 2009 Sinh viên Nguyễn Việt Bắc Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 MỤC LỤC 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ 7 BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT 8 CHƯƠNG 1 15 1.1 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1 15 1.2 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 17 1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA .17 1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 18 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 20 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo 21 1.5 Tổng kết quá trình đi lên của hệ thống thông tin di động thế hệ ba 22 CHƯƠNG 2 25 2.1. Giới thiệu công nghệ W-CDMA 25 2.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thống W-CDMA 27 2.3 Chức năng của các thành phần trong hệ thống W-CDMA 28 2.3.1 UE (User Equipment) .28 2.3.2 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN .28 2.3.3 Mạng lõi CN .30 2.4 Giao diện của W-CDMA .31 2.5.Cấu trúc phân kênh của WCDMA 34 2.5.1 Kênh vật lý .35 2.5.2Kênh truyền tải 44 CHƯƠNG 3 47 3.1.Trải phổ trong W-CDMA 47 3.1.1.Giới thiệu 47 3.1.2.Nguyên lý trải phổ DSSS .48 3.1.3.Mã trải phổ .49 3.2.Truy nhập gói 51 3.2.1.Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA 51 3.2.2.Lưu lượng số liệu gói .52 3.2.3.Các phương pháp lập biểu gói 53 3.3 Kỹ thuật chuyển giao .54 3.3.1 Mục đích và trình tự của chuyển giao 54 3.3.2 Phân loại và quá trình chuyển giao 57 3.4 Điều khiển công suất trong hệ thống W-CDMA .62 3.4.1 Ý nghĩa của điều khiển công suất 62 3.4.2 Một số loại nhiều và một số thuật ngữ liên quan .63 3.4.3 phân loại điều khiển công suất .68 3.4.4 Nguyên lý trong điều khiển công suất 70 3.4.5 Điều khiển công suất đường lên .73 3.4.6 kỹ thuật điều khiển công suất đường xuống 77 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA CHƯƠNG 4 82 4.1. Quy hoạch mạng WCDMA 82 4.1.1 Suy hao đường truyền trong quá trình truyền lan tín hiệu .83 4.1.2. Mô hình tính suy hao đường truyền 83 4.1.2.1. Mô hình Hata - Okumura .83 4.1.2.2 Mô hình Walfisch-Ikegami (hay COST 231) 85 4.1.2.3 Quan hệ giữa suy hao đường truyền dẫn và vùng phủ sóng .88 4.1.2.4. Một số khái niệm cần quan tâm .88 4.1.3. Dung lượng kết nối vô tuyến .90 4.1.4 Suy giảm đường truyền lớn nhất cho phép .91 4.2. So sánh hệ thống UMTS với hệ thống GSM 2G 92 CHƯƠNG 5 93 5.1 Giới thiệu .93 5.2 HSDPA (3.5G) 94 5.3 Supper 3G (LTE) .95 5.4. Xu hướng phát triển và các yếu tố thúc đẩy 4G .99 5.4.1. Xu hướng phát triển 99 5.4.2. Những yếu tố thúc đẩy 4G 102 TỔNG KẾT CHUNG 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO .105 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1 Khái niệm về hệ thống FDMA 14 Hình 1.2 Khái niệm về hệ thống TDMA 15 Hình 1.3 Khái niệm về hệ thống CDMA 17 Hình 1.4 Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G 18 Hình 1.5 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động (1G – 3G) 21 Hình 2.1 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 23 Hình 2.2. Cấu trúc của W-CDMA UMTS 25 Hình 2.3 Cấu trúc UTRAN 26 Hình 2.4 Cấu trúc giao thức I U CS 29 Hình 2.5 Cấu trúc giao thức I U PS 30 Hình 2.6. Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên 33 Hình 2.7. Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng 34 Hình 2.8. Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên 35 Hình 2.9. Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH 35 Hình 2.10 Cấu trúc phát đa truy nhập ngẫu nhiên CPCH 36 Hình 2.11. Cấu trúc khung của DPCH đường xuống 37 Hình 2.12. Cấu trúc khung của kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp 38 Hình 2.13. Cấu trúc khung của S-CCPCH 38 Hình 2.14. Cấu trúc khung kênh đồng bộ 39 Hình 2.15. Cấu trúc khung của PDSCH 39 Hình 2.16. Cấu trúc kênh chỉ thị bắt AICH 40 Hình 2.17. Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi 40 Hình 2.18 Kênh truyền tải 41 Hình 3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 46 Hình 3.2. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN 46 Hình 3.3. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao 48 Hình 3.4. Đặc trưng của một phiên dịch vụ gói 49 Hình 3.5 Trình tự thực hiện chuyển giao 52 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA Hình 3.6 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 53 Hình 3.7 chuyển giao mềm hai đường. 54 Hình 3.8 Chuyển giao mềm ba đường 55 Hình 3.9chuyển giao mềm hơn 56 Hình 3.10.chuyển giao mềm – mềm hơn 57 Hình 3.11. Chuyển giao cứng cùng tần số 58 Hình 3.12 Chuyển giao cứng khác tần số 58 Hình 3.13 Nhiễu đường lên 60 Hình 3.14 Nhiễu đường xuống 60 Hình 3.15 Các loại nhiễu trong hệ thống 61 Hình 3.16 Vấn đề gần – xa (điều khiển công suất đường lên) 62 Hình 3.17 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất đường xuống) 62 Hình 3.18 Quá trình thiết lập cuộc gọi 64 Hình 3.18 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín 67 Hình 3.19 Điều khiển công suất vòng kín bù trừ fading nhanh 68 Hình 3.20 Điều khiển công suất vòng ngoài 68 Hình 3.21 Kiến trúc logic chức năng UL PC vòng ngoài cho dịch vụ nhiều kênh 71 Hình 3.22 UL PC vòng trong khi chuyển giao mềm 73 Hình 3.23 Dịch công suất (PO) để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống 75 Hình 3.24 DL PC vòng trong khi chuyển giao mềm 76 Hình 3.25 Cấu trúc máy thu RAKE 77 Hình 3.26 phương pháp chọn đường truyền để kết hợp với RAKE 77 Hình 4.2 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami 81 Hình 4.3 Quan hệ giữa suy hao đường truyền dẫn và vùng phủ sóng 84 Hình 5.1 Sự phát triển từ 3G lên 4G 90 Hình 5.2 phát triển từ W-CDMA lên 4G 92 Hình 5.3 sự phát triển của W-CDMA so với Wimax 94 Hình 5.4: Mạng lõi IP thống nhất 98 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT A ACCH Associated Control Channels Kênh điều khiển liên kết. AI Acquisition Indicator Chỉ thị bắt. AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến. ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động. AS Access Stratum Tầng truy nhập. B BCCH Broadcast Control Channel Kênh quảng bá điều khiển. BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá. BER Bit Error Ratio Tỷ số bit lỗi. BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc. BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc. BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc. BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân. Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA C CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung. CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập chia theo mã. C/I Carrier to Interference ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu. CCCH Common Control Chanel Kênh điều khiển chung. CCPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung. CPCC Common Power Control Chanel Kênh điều khiển công suất chung. CPCH Common Packet Chanel. Kênh gói chung. CPICH Common Pilot Chanel Kênh hoa tiêu chung. CR Chip Rate Tốc độ chip (tương đương với tốc độ trải phổ của kênh). CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh. D DCA Dynamic Chanel Allocation Phân bổ kênh động. DCCHDedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng. DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng. DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý riêng. Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh số liệu vật lý riêng. DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng riêng. DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối số liệu. DSCH Downlink Shared Chanel Kênh dùng chung đường xuống. E EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution. Tăng tốc độ truyền dẫn… ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu. F FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh. FACH Forward Access Chanel Kênh truy nhập đường xuống. FAUSCH Fast Uplink Signalling Chanel Kênh báo hiệu đường lên nhanh. FCCCH Forward Common Control Chanel Kênh điều khiển chung đường xuống. FCCH Frequency Correction Channel Kênh hiệu chỉnh tần số. FDD Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân chia theo tần số. FDMA Frequence Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FDCCH Forward Dedicated Control Chanel Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ 10 . ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA Hệ thống trải phổ băng rộng WCDMA Vinh, 5-2010 Nguyễn Việt Bắc Lớp 46K-ĐTVT Khoa Công Nghệ TRƯỜNG ĐẠI HỌC. TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRẢI PHỔ BĂNG RỘNG WCDMA 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một