Tìm hiểu kỹ thuật cdma và việc phân chia các vùng trong mạng truyền dẫn tổ ong

004.6 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRẦN MINH PHÚC BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: "TÌM HIểU Kỹ THUậT CDMA VÀ VIệC PHÂN CHIA CÁC VÙNG TRONG MạNG TRUYềN DẫN Tổ ONG” Nghệ An, tháng 12 năm 2014 Đồ án tốt nghiệp đại học TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: "TÌM HIểU Kỹ THUậT CDMA VÀ VIệC PHÂN CHIA CÁC VÙNG TRONG MạNG TRUYềN DẫN Tổ ONG” Sinh viên thực hiện: Trần Minh Phúc – 1051070469 Lớp: 51K1 Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Văn Minh Nghệ An, tháng 12 năm 2014 Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học Lời cảm ơn Trên thực tế, khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều giúp đỡ q thầy cơ, bạn bè Để hồn thành đồ án này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Văn Minh, tận tình hướng dẫn em suốt q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Công NghệThông Tin, đặc biệt Thầy, Cơ mơn Mạng máy tính, Trường Đại Học Vinh tận tình truyền đạt kiến thức năm học tập Đồ án tốt nghiệp thực khoảng thời gian tháng Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học kiến thức em nhiều hạn chế, bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót định, em mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy,Cô bạn để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Cuối cùng, em xin kính chúc q Thầy, Cơ gia đình dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Em xin chân thành cảm ơn! Trần Minh Phúc Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu Cùng với phát triển ngành công nghệ điện tử, tin học,cơngnghệthơngtindiđộngtrongnhữngnămquađãpháttriểnrấtmạnhmẽ cungcấpcácloạihìnhdịchvụđadạngđápứngnhucầungàycàngcaocủangườisửdụng.Kểtừkhir ađờivàocuốinăm1940chođếnnaythơngtindiđộngđãpháttriểnquanhiềuthếhệvàđãtiếnmộtb ướcdàitrênconđường cơngnghệ Trao đổi thông tin nhu cầu thiết yếu xã hội Các hệthốngthơngtindiđộngrađờitạochoconngườikhảnăngthơngtinmọilúc,mọinơi Pháttriểntừhệthốngthơngtindiđộngtươngtự,cáchệthốngthơngtindiđộngsốthếhệ2(2G)rađờ ivớimụctiêuchủyếulàhỗtrợdịchvụthoạivàtruyềnsốliệutốcđộthấp.Hệthốngthơngtindiđộng động2GđánhdấusựthànhcơngcủacơngnghệGSMvớihơn70%thịphầnthơngtidiđộngtrênto àncầuhiệnnay.Trongtươnglai,nhucầucácdịchvụsốliệusẻngàycàngtăngvàcókhảnăngvượtq nhucầuthơngtinthoại.Hệthốngthơngtindiđộngthếhệ3(3G)rađờinhằmđápứngcácnhucầu cácdịchvụsốliệutốcđộcaonhư:điệnthoạithấyhình,videostreamming,hộinghịtruyềnhình,nhắ n tin đa phương tiện (MMS)… Hiệnnay,mạngthơngtindiđộngcủaViệtNamđangsửdụngcơngnghệGSM,mạngGSM khơngđápứngcácucầuvềdịchvụcũngnhưđịihỏivềchấtlượngdịchvụ,vàmạngthơngtin diđộngCDMAđãvàđangtiếptụcđượcmởrộngtrêntồnquốccókhảnăngđápứngnhucầuvềch ấtlượngvàdịchvụhiệnnay.DođóviệcnghiêncứuvàtriểnkhaimạngthơngtindiđộngCDMAlàm ộtđiềutấtyếu.Xuấtpháttừnhữngsuynghĩnhưvậynênemđã định chọn đề tài: "Tìm hiểu kỹ thuật CDMA việc phân chia vùng mạng truyền dẫn tổ ong” Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC CHƢƠNG I TỔNGQUAN VỀ MẠNGDI ĐỘNG CDMA .6 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin diđộng 1.1.1 Hệ thống thông tin di động tổong 1.1.2 Quá trình pháttriển 1.2 Hệ thống thông tin di độngCDMA 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA 1.2.2 Nguyên lý kỹ thuật mạngCDMA 10 1.2.3 Các đặc tính CDMA 11 1.2.4 Ưu điểm CDMA 13 1.2.5 Tổ chức cell mạng CDMA 15 CHƢƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG CDMA 17 2.1 Lý thuyết thiết kế hệ thống mạng 17 2.1.1 Kích thước đồng 18 2.1.2 Kích thước khơng đồng 21 2.2 Quy hoạch mạng CDMA .26 2.2.1 Quỹ đường truyền vô tuyến hiệu suất vùng phủ .27 2.2.2 Hệ số tải hiệu suất phổ .33 2.3 Hiệu suất phổ hệ thống mạng WCDMA .40 2.3.1 Dung lượng mềm 40 CHƢƠNG III TÍNH TỐN 44 3.1 Bài toán .44 3.1.1 Bài toán đặt .44 3.1.2 Các giả thiết 44 3.1.3 Mơ hình thực nghiệm Walfisch-Ikegami ( COST 231) .45 3.2 Tính toán 46 Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học CHƢƠNG I TỔNGQUAN VỀ MẠNGDI ĐỘNGCDMA 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin diđộng 1.1.1 Hệ thống thơng tin di động tổong Tồn vùng phục vụ hệ thống điện thoại di động tổ ong chiathànhnhiềuvùngphụcvụnhỏgọilàcácơ(cell),mỗiơcómộttrạmgốcquảnlývàđượcđiềukhi ểnbởitổngđàisaochothbaovẫncóthểduytrìđượccuộcgọimộtcáchliên tục di chuyển Hình 1 Hệ thống thông tin di động tổ ong Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong tần số mà máy di động sửdụnglàkhơngcốđịnhởmộtkênhnàođómàcáckênhđượcxácđịnhnhờkênhbáohiệuvàmáydiđ ộngđượcđồngbộvềtầnsốmộtcáchtựđộng.Vìvậycácơkềnhausửdụngtầnsốkhácnhaucịncácơ ởcáchxahơnmộtkhoảngcáchnhất địnhcóthểtáisửdụngcùngmột tầnsốđó.Đểchophépcácmáydiđộngcóthểduytrìcuộcgọiliêntụctrongkhidichuyểngiữacácơt hìtổngđàisẽđiềukhiểncáckênhbáohiệuhoặckênhlưulượngtheosựdichuyểncủamáydiđộngđ ểchuyển đổi tần số máy di động thành tần số thích hợp cách tựđộng 1.1.2 Quá trình pháttriển Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học Thông tin di động đời vào cuối năm 1940, hệthốngthơngtindiđộngđiềuvận.Đếnnaythơngtindiđộngđãtrảiquanhiềuthếhệ.Thếhệ1làthế hệthôngtindiđộngtươngtựsửdụngcôngnghệtruycậpphânchiatheotần số (FDMAFrequency Division Multiple Access) Tiếp theo hệ hiệnnay hệ triển khai số quốc gia thếgiới Hình 2Q trình phát triển hệ thống thơng tin di động giới 1.1.3 Xu phát triển thông tin di động Hiện thông tin di dộng giai đoạn phát triển vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng khách hàng số lượng, chất lượng loại hình dịch vụ Về chia thành hướng phát triển sau: - Phát triển theo chuẩn IMT-2000, định ITU, nhằm thống hệ thống di động đa hệ thứ ba khu vực giới - Xu hướng phát triển mạng vô tuyến nhà dùng cho trụ sở, công ty lớn(trên tần số 18GHz) - Từ năm 1990 có nghiên cứu rộng lớn giới nhằm phát triển hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp thông minh mạng PSTN, xử lý tín hiệu số đại cơng nghệ RF Các kỹ thuật chung cho điều chế, đa truy cập kỹ Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học thuật mạng lựa chọn nhằm đem dịch vụ đến tận cá nhân người sử dụng PCS (Person Communication Servise) (ví dụ cụ thể mạng Cityphone) PCN (Person Communication Network ) khái niệm mạng mà người dùng thu tiến hành gọi đâu dùng thiết bị cá nhân nhỏ nhẹ - Phát triển viễn thông kết hợp vệ tinh: Cùng với phát triển công nghệ vũ trụ , hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên hệ viễn thông kết nối tồn cầu thích hợp cho địa hình loại hình - Hiện quốc gia phát triển sau có hội nhanh vào kỹ thuật tiên tiến lựa chọn mơ hình thích hợp với phát triển tương lai 1.2 Hệ thống thông tin di độngCDMA 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động CDMA CDMA (Code Devision Multiple Access) hệ thống di động số sử dụngcơngnghệđatruycậptheomãcócấutrúchệthơnggồmbốnphầnchínhsau: a Máy di động MS (MobileStation) b Hệ thống trạm gốc BSS (Basic StationSystem) c Hệ thống chuyển mạch SS (SwitchingSystem) d Trung tâm vận hành,bảo dưỡng OMC (Operationand MaintenanceCenter) Hình 3Cấu trúc mạng thông tin di động a Máy di độngMS Một máy điện thoại di động gồm hai thành phần chính: Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học + Thiết bị di độnghayđầucuốilàthiếtbịtíchhợpcáckhốimạchchứcnăngnhư:mãhóa, điềuchế,khuếchđại…dùngđểthutínhiệuvơtuyếnvàtáitạolạidạngtínhiệubanđầu +Modulenhậndạngthbao- SIMlàmộtCardthơngminhdùngđểnhậndạngđầucuối, SIM Card có mã số nhận dạng cá nhân dùng để nhận thực thuê bao b Hệ thống trạm gốcBSS BSS chịu trách nhiệm việc phát thu sóng vơ tuyến, chia làm hai phần: + Trạm thu phát gốcBTS(Basic Transceiver Station): gồm thu phát vàcácăngtensửdụngtrongmỗicell.MộtBTSthườngđượcđặtởvịtrítrungtâmcủamộtcell BTS đảm nhiệm chức vơ tuyến hệ thống + Bộ điều khiển trạm gốcBSC(Basic Station Controller): điều khiểnmộtnhóm BTS quản lý tài nguyên vô tuyến BSC chịu trách nhiệm điều khiển việcnhảytần,cácchứcnăngtổngđàivàđiềukhiểncácmứccôngsuấttầnsốvôtuyếncủaBTS c Hệ thống chuyển mạchSS Hệ thống chuyển mạch SS bao gồm số đơn vị chức sau: + Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di độngMSC(Mobile ServicesSwitchingCenter):đâylàthànhphầntrungtâmcủakhốiSS,thựchiệncácchứcnăngchu yểnmạch mạng cung cấp kết nối đến mạng khác + Thanh ghi định vị thường trúHLR(Home Location Register): HLR đượcxemlàmộtcơsởdữliệurấtquantrọnglưutrữcácthơngtinvềthbaothuộcvùngphủsóngcủ aMSC.Nócịnlưutrữvịtríhiệntạicủacácthbaocũngnhưcácdịch vụ th bao mà sửdụng + Thanh ghi định vị tạm trúVLR(Visitor Location Register): lưu trữcácthông tin cần thiết để cung cấp dịch vụ thuê bao cho máy di động từ xa đến + Trung tâm xácthựcAuC(Authentication Center): Thanh ghi AuC đượcdùngchomụcđíchbảomật.Nócungcấpcácthamsốcầnthiếtchochứcnăngxác thực mã hố Các tham số giúp xác minh nhận dạng thuê bao +ThanhghinhậndạngthiếtbịEIR(EquipmentIdentityRegister):EIRcũngđượcdùng chomụcđíchbảomật.Nólàmộtthanhghilưutrữcácthơngtinvềcácthiết bị diđộng + Cổng MSCGMSC(Gate MSC): Cổng MSClànơi giaotiếpgiữamạngdiđộngvàmạngcốđịnh.Nóchịutráchnhiệmđịnhtuyếncuộc gọi từ mạng cố định đến mạng di động ngược lại Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page Đồ án tốt nghiệp đại học d Trung tâm vận hành bảo dưỡngOMC OMC kết nối đến thành phần khác MSC đến BSCđểđiềukhiểnvàgiámsáthệthốngMSC.Nócịnchịutráchnhiệmđiềukhiểnlưulượng củaBSS 1.2.2 Ngun lý kỹ thuật mạngCDMA CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng chiếm cùngkênhvơtuyếnđồngthờitiếnhànhcáccuộcgọi.Những người sử dụng nói trênđượcphânbiệtnhờ mộtmãđặctrưngkhơngtrùngvớibấtkỳai.Kênhvơtuyếnđượcdùnglạiởmỗicell trongtồnmạng, kênh đượcphânbiệtnhaunhờmãtrảiphổngẫunhiên.MộtkênhCDMArộng1,23MHzvớihai dải biên phịng vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốcđộcắt(chiprate)1,2288MHz.Dịngdữliệugốcđượcmãhốvàđiềuchếởtốc độcắt.Tốcđộnàychínhlàtốcđộmãđầura(mãtrải phổngẫunhiên,PN-PseudoNoise: giả tạp âm) máy phát PN Để nén phổ trở lại liệu gốc máy thu phải dùng mã trải phổ PN xácnhưkhitínhiệuđượcxửlýởmáyphát.NếumãPNởmáythukháchoặckhơngđồng với mã PN tương ứng máy phát tin tức khơng thể thu nhận Trong CDMA trải phổ tín hiệu phân bố lương tín hiệu vào dảitầnrấtrộnghơnphổgốccủatínhiệugốc.Ởphíathu,phổcủatínhiệulạiđượcnéntrở lại phổ tín hiệu gốc (xem hình 1.4) Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page 10 Đồ án tốt nghiệp đại học 1 i  NhiƠu tõ cell kh¸c NhiƠu cell phơc vơ 1  NhiƠu tõ cell kh¸c + NhiƠu cell phơc vơ NhiƠu cell phơc vơ  (2.46) Dung lượng cell bị cô lập Dung lượng nhiều cell Công thức Erlang B áp dụng với số kênh lớn Dung lượng Erlang có sau chia cho cell Thủ tục tính tốn dung lượng mềm tổng kết sau: Tính tốn số kênh cell, N, trường hợp tải dựa vào hệ số tải đường lên tính tốn cơng thức (2.37) Nhân số kênh với i+1 để thu kênh tổng cộng trường hợp nghẽn mềm Tính tốn lưu lượng đề nghị lớn từ công thức Erlang Chia dung lượng Erlang cho i+1 Kết thể bảng 2.9 Ta thấy độ lợi dung lượng tăng thêm dịch vụ tốc độ bit cao đạt khoảng 28% dịch vụ 144 kbps Hiệu suất trunking thể bảng 2.9 định nghĩa dung lượng tắc nghẽn cứng chia cho số lượng kênh Hiệu suất thấp lượng tải trung bình thấp, dung lượng mượn từ cell lân cận nhiều, dung lượng mềm có lớn Thơng số Tốc độ bit Giá trị Thoại: 12.2 kbps Dữ liệu thời gian thực: 16-144kbps Hoạt động thoại Thoại 67% Dữ liệu 100% Thoại: 4dB Eb/N0 Dữ liệu 16-32 kbps: 3dB Dữ liệu 64Kbps: 2dB Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page 42 Đồ án tốt nghiệp đại học Dữ liệu 144kbps: 1.5dB (i) 0.55 Mức tăng tạp âm 3dB (=50% hệ số tải) Xác suất nghẽn 2% Bảng 8Ví dụ tính tốn dung lượng mềm Tốc độ bit Số (kbps) cell kênh Dung lƣợng Hiệu suất trunking nghẽn cứng Dung lƣợng Dung lƣợng nghẽn mềm mềm 12.2 60.5 50.8 Erl 84% 53.5Erl 5% 16 39.0 30.1 Erl 77% 32.3Erl 7% 32 19.7 12.9 Erl 65% 14.4Erl 12% 64 12.5 7.0 Erl 56% 8.2Erl 17% 144 6.4 2.5 Erl 39% 3.2Erl 28% Bảng 9Tính tốn dung lượng mềm đường lên Hình 8Dung lượng mềm hàm số tốc độ bit kết nối thời gian thực Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page 43 Đồ án tốt nghiệp đại học CHƢƠNG III TÍNH TỐN 3.1 Bài tốn 3.1.1 Bài toán đặt Ta nghiên cứu quy hoạch vùng thị, diện tích 12x12 (km2) u cầu xác suất vùng phủ trạm điều khiển cho dịch vụ 8kbps, 64kbps, 384kbps thiết lập, tương ứng 95%, 80%, 50% hay tốt Pha hoạch định bắt đầu việc tính tốn quỹ đường truyền lựa chọn vị trí vùng Trong pha vùng thống trị cho cell tối ưu Trong ví dụ này, vùng liên quan đến điều kiện truyền sóng Độ nghiêng, phương hướng ăngten, vị trí site thay đổi để đạt vùng rõ ràng cho cell Tối ưu vùng thống trị chủ yếu tối ưu nhiễu, điểu khiển xác suất chuyển giao mềm vùng chuyển giao mềm Các tiêu nhiễu chuyển giao mềm/mềm coi cải thiện dung lượng mạng 3.1.2 Các giả thiết Một số giả định dùng toán bảng 3-1 Bảng 3.1Thơng số sử dụng tốn Giới hạn tải đường lên 75% Công suất phát lớn trạm gốc 20W (43dBm) Công suất phát lớn trạm di động 300 mW (=25 dBm) Phạm vi thay đổi điều khiển công suất MS 70dB Độ tương quan fading chậm(normal-log) 50% BS Độ lệch chuẩn cho fading chậm 6dB Hiện trạng kênh đa đường ITU Vehicular A Các tốc độ trạm di động 3km/h 50km/h Các dạng tạp âm trạm di động/ trạm gốc 7dB/5dB Cửa sổ bổ sung chuyển giao mềm -6dB Công suất kênh hoa tiêu 30dBm Công suất kết hợp cho kênh chung khác 30dBm Hệ số trực giao đường xuống 0.5 Hệ số hoạt động thoại/dữ liệu 50%/100% Các anten trạm gốc 650/ 17dBi Các anten trạm di động thoại /dữ liệu Đa hướng / 1.5dBi Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page 44 Đồ án tốt nghiệp đại học 3.1.3 Mơ hình thực nghiệm Walfisch-Ikegami ( COST 231) Mơ hình sử dụng để tính tốn suy hao đường truyền mơi trường thị cho hệ thống mạng tổ ong Mơ hình tính tốn mơi trường thị phạm vi tần số : 800  fc  2000MHz hb hb  r hm hR Cell site hm W b Mobile Mơ hình truyền sóng Walfish-Ikegami (COST 231) Mơ hình gồm thành phần: suy hao không gian tự do; suy hao nhiễu xạ tán xạ từ đỉnh mái nhà đến đường phố ; suy hao đa tầng chắn L50 = Lf + Lrts + Lms Hoặc L50 = Lf Lrts + Lms  Trong : Lf = suy hao không gian tự Lrts = suy hao nhiễu xạ tán xạ từ mái nhà đến đường phố Lms = suy hao đa tầng chắn Suy hao không gian tự xác định sau: Lf = 32.4 + 20logr +20logfc dB Suy hao tán xạ nhiễu xạ từ mái nhà đến đường phố tính sau: Lrts = -16.9 - 10logW +10logfc + 20log  hm + L0 dB Trong : W = bề rộng đường phố (m)  hm = hr – hm (m) 00    350 L0 = 2.5 + 0.075(  - 35) dB , 350    550 L0 = + 0.114 (  - 55) dB , 550    900 Trong :  = góc tương đối hợp máy động đường phố Suy hao đa tầng chắn tính sau: Lms = Lbsh+ ka +kdlogr + kflogfc - 9logb dB Trong đó: L0= - 9.646 dB , Trần Minh Phúc - Lớp 51K1 – Khoa CNTT Page 45 Đồ án tốt nghiệp đại học b = khoảng cách nhà dọc theo đường truyền vô tuyến (m) Lbsh = - 18log11 +  hb, Lbsh = 0, ka = 54, hb>hr , hb  hr hb