Tài liệu Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba umts w-cdma

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA LỜI NÓI ĐẦU  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 của công nghệ thông tin mà điển hình ngày càng có nhiều công nghệ mới để truyền dữ liệu có hiệu quả. Tại Việt Nam cũng đang có một cuộc cách mạng chuyển từ thế hệ 2G sang 3G trong lĩnh vực thông tin di động để bắt kịp với sự phát triển của thế giới. Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM và CDMA băng thông hẹp, các công nghệ này trở nên lạc hậu và quá tải trước là trước các yêu cầu về dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, xem tivi trên điện thoại di động, truy cập WAP, internet và nhiều dịch vụ giá trị gia tăng khác. Vì vậy sự thay thế của các công nghệ thế hệ 3G như WCDMA và CDMA-EVDO là điều tất yếu. Thực tế phần lớn các thuê bao tại Việt Nam đang sử dụng mạng GSM mà WCDMA là bước phát triển tiếp của GSM nên em chọn đề tài “Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA” cho nội dung nghiên cứu đồ án của mình nhằm góp thêm hiểu biết cho 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 không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, phê bình và hướng 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 hoàn thành tốt đồ án của mình. Em xin trân trọng cảm ơn thầy. 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA 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 Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA TÓM TẮT ĐỒ ÁN  Nội dung chính cùa bản đồ án này nhằm giới thiệu một cách tổng quan về hệ thống W-CDMA theo tiêu chuẩn của Châu Âu. Trong chương đầu của đồ án là tổng quan về sự phát triển của hệ thống thông tin chủ yếu giới thiệu những mốc lịch sử đáng 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-CDMA gồm có các đặc tính điển hình của CDMA và kĩ thuật trải phổ là phương thức truy nhập 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 mới cho thế hệ 3G tại Việt Nam. Chương bốn là một số đề xuất về việc triển khai WCDMA 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 Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA 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 3.1.4 Sóng mang ..................................................................................................... 44 3.1.5 Đa tốc độ ........................................................................................................ 44 3.1.6 Gói dữ liệu ..................................................................................................... 45 3.2. Cấu trúc và chức năng các phần tử trong hệ mạng W-CDMA UMTS ........ 45 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 .......................................................................................... 54 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 Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA 3.6.2.1. Các kênh truyền tải riêng(DCH-Dedicate Channel) ..................... 58 3.6.2.2. Các kênh truyền tải chung ............................................................. 59 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 CHUNG .................................................................................................... 92 BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 97 Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG 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 của Hertz về tần số ở thế kỉ 18. Hệ thống vô tuyến đầu tiên xuất hiện năm 1919, khi ấy nó chỉ phục vụ việc nghiên cứu liên lạc bằng sóng radio và được xây dựng ở hai trạm tại Boston và Baltimore ứng dụng đầu tiên của liên lạc sóng radio là liên lạc đường biển. Tới năm 1933 hệ thống thông tin trên đất liền mới đưa và khai thác mà ứng dụng chủ yếu của nó là thông tin trong cảnh sát và lực lượng cứu hỏa với băng tần 35MHz gồm 10 kênh, khoảng cách mỗi kênh là 40kHz, việc chuyển mạch bằng tay bởi điện thoại viên. Năm 1946 hệ thống thông tin thương mại đầu tiên ra đời với hoạt động tại băng tần 150MHz. Năm 1964 hệ thống MJ ra đời sử dụng công nghệ mạch trong hệ thống làm giảm độ rộng mỗi kênh từ 120kHz xuống còn 30kHz. Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp trong khi chi phí sử dụng khá tốn kém. Hệ thống thông tin tế bào của Bell đã được nghiên cứu thí nghiệm từ năm 1947 cuối cùng năm 1975 hệ thống này đã được thử nghiệm và được cấp phép tiến hành từ năm 1977, năm 1978 hệ thống thông tin tế bào đàu tiên được xây dựng với độ rộng 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 chia theo tần số FDD do vậy có tất cả 666 kênh. Năm 1981 hệ thống này được đưa và sử dụng tại châu âu. Hệ thống này được phát triển lên hệ thống AMPS (Advance Mobile Phone Service) năm 1983 được coi là dịch vụ thoại tiên tiến. 6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Sau một thập kỉ phát triển, người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự cũng dần không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như 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 môi trường 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 hạ tầng.  Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho 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 phải chuyển từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật thông tin số cùng với kĩ thuật đa truy nhập mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được nghiên cứu và tiến hành tại một số nước Tây Âu năm 1981 như Thụy Điển, Nauy, Phần Lan, Đan Mạch sau này xuất hiện nhiều chuẩn cho hệ thống này và năm 1991 châu âu thống nhất một chuẩn duy nhất cho hệ thống này 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 cả TDD và FDD nên cho dung lượng lớn hơn, GSM cũng bắt đầu cung cấp vài dịch vụ truyền dữ liệu, kết nối internet. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Được thành lập vào năm 1985, Qualcom đã thương mại hóa công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS - 95 A. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thông tin di động vệ 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 thông về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang hướng tới thế hệ thứ ba, có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA và cdma2000. W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và cdma2000 được phát triển lên từ IS-95 thế hệ 2. Ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di động băng 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 MS thiết lập và thực hiện với bất kỳ thuê bao nào khác. Việc phân chia các kênh liên lạc cho mỗi MS được gọi là kỹ thuật đa truy nhập. Có 5 phương thức đa truy nhập khác nhau: 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 theo các 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 theo tần số. Nguyên tắc: Phổ tần số cung cấp cho kênh thông tin được chia thành 2N kênh tần kế tiếp, giữa chúng có khoảng tần bảo vệ. Mỗi người sử dụng được gán cho một kênh 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 di chuyển từ một tế bào sang một tế bào bên cạnh (chuyển vùng). Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 8 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA - 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 số riêng. Hình 1.1 Phổ tín hiệu FDMA Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống di động AMPS (Advance Mobile Phone System ). b/TDMA (Time Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo thời gian. Nguyên tắc: Phổ tần cung cấp chia thành các kênh, mỗi kênh tần được chia N khe thời gian, mỗi kênh ứng với một khe thời gian nhất định trong một chu kỳ khung. Mỗi kênh (khe thời gian) được ấn định cho người sử dụng khác nhau. Tin tức là tín hiệu số tổ chức dạng gói, gói có bít địa chỉ đầu cuối, bít đồng bộ… 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 Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 9 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống GSM (Global System for Mobile Communication). 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 nó phân chia bằng cách mỗi người sử dụng sẽ được phân biệt với nhau bằng các mã khác nhau (mã trải phổ). Tín hiệu được trải phổ trên băng tần rộng. Để thu được dữ liệu ban đầu, thì máy thu phải dùng mã trải phổ chính xác như khi tín hiệu được xử lý ở bên máy phát. Nếu mã trải phổ ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã trải phổ tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể thu và hiểu được ở máy thu. Đặc điểm: - Phổ tần trải rộng gấp nhiều lần phổ tín hiệu ban đầu. - Sử dụng mã giả ngẫu nhiên. - Có rất nhiều loại giao thức CDMA khác nhau: DS, FH,… - Giảm nhiễu Fading đa đường. - Liên lạc song công, mỗi hướng ở các dải tần khác nhau. - Việc đồng bộ, trể rất phức tạp. Hình 1.3 Phổ tín hiệu CDMA 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 có Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 10 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA máy phát BTS công suất nhỏ. Khi các cell ở cách nhau một khoảng cách đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số. Vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellular được chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, do mỗi trạm thu phát sử dụng ba anten thu phát, mỗi anten lại đặt cách nhau 120 độ nên vùng phủ sóng có dạng một tổ ong hình lục giác được gọi là các cell. Trong mỗi cell có một trạm gốc BTS. BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các máy thuê bao di động MS có mặt trong cell. MS có thể di động giữa các cell và nó phải được chuyển giao để làm việc với một BTS liền kề mà nó hiện đang trong cùng phủ sóng mà không làm gián đoạn cuộc gọi. Các Cell kề nhau sử dụng tần số khác nhau, các Cell ở cách xa hơn một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó. Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tăng lên nhờ việc tái sử dụng tần số và do đó dung lượng thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên. 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 lại thành vùng phục vụ của hệ thống. Kích thước phủ sóng mỗi cell thay đổi tùy theo vùng. 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 hệ thống thông tin theo mô hình tế bào.. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 11 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Hệ thống tế bào ra đời giúp giảm chi phí hoạt động của các đài phát nhờ giảm công suất phát, hệ thống làm việc mềm dẻo hơn., đặc biệt nó giải quyết bài toán dung lượng. Khi số thuê bao tập chung lớn trong một vùng chỉ cần chia nhỏ ô phủ sóng nơi đó thành các tế bào con bằng cách thêm các trạm thu phát sóng và theo lý thuyết 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, các trạm BSS này được liên kết với một phân hệ chuyển mạch NSS, các phân hệ chuyển mạch NSS này lại liên kết với các cổng GATEWAY để kết nối với các mạng 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 BTS và chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 12 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tổ ong (GSM) 3. SS : Phân hệ chuyển mạch - HLR : Bộ ghi định vị thường trú chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu một cách thường xuyên kể từ khi MS bắt đầu nhập mạng. - VLR : Bộ ghi định vị tạm trú chính là HLR lưu động, nó chỉ làm nhiệm vụ lưu giữ số liệu tạm thời khi MS lưu động. - EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR có chức năng cho phép hoặc không cho phép MS vào mạng. - MSC : Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 13 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào 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 4. AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR. 5. OMC : Trung tâm vận hành và bảo dưỡng 6. 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 cộng 10. 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 nhiệm chuyển 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 điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào 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 và số liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát (kênh có thể là RF hoặc Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 14 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA cũng có thể là CDMA hoặc TDMA); cặp kênh này có thể thay đổi khi MS di chuyển 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 các thuê bao di động và cố định, và trao đổi thông tin báo hiệu đa đường qua đường số liệu giữa MSC và BS. (Để liên lạc được với thuê bao của mạng điện thoại cố định cần 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 khi MS 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 dụng băng tần 150 MHz tại Saint Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh là 60 KHz 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 đời ở Richmond Indiana. Năm 1956 hệ thống lần đầu sử dụng băng tần 450 MHz, người sử dụng phải ấn 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 kHz với kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp 4 lần so với cuối thế chiến II. Năm 1964 hệ thống MJ ra đời, hoạt động trên băng tần 150 MHz có thể tự chọn kênh liên lạc nhưng vẫn cần điện thoại viên. Năm 1969 hệ thống MK ra đời, hoạt động trên băng tần 450 MHz và hoàn Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 15 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA toàn tự động. Từ những năm bảy mươi, hệ thống Cellular kỹ thuật tương tự ra đời, tần số điều chế là 850MHz, FM. Tương ứng là sản phẩm thương mại AMPS ra đời năm 1983. 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 yêu cầu ngày càng tăng do đó thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời sử dụng kỹ thuật số với những ưu điểm vượt trội. Hệ thống thông tin di động Cellular thế hệ thứ hai có 3 tiêu chuẩn chính: GSM, IS-5, JDC. Năm 1991 hệ thống GSM được công nhận ở Châu Âu và nhiều nước trên thế giới. Thế hệ ba bắt đầu từ những năm sau thập kỷ chín mươi là kỹ thuật số với CDMA 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. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 16 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA 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 lý theo hướng dẫn của ITU. Trên cơ sở các yêu cầu do ITU đặt ra, cơ quan quản lý viễn thông sẽ quy hoạch, cấp phát dải tần viễn thông của quốc gia cho các nhà khai thác. Trước đây vấn đề này được giải quyết theo phương pháp cấp các băng tần khác 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 thống thông tin di động tế bào, các dịch vụ mới đòi hỏi một phương pháp mới để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề trên. Kỹ thuật trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong lĩnh vực quân sự từ những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trong các hệ thống thông tin di động tế bào nhu nhu cầu cấp bách của 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. Điều này làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn, dẫn đến mật độ công suất thấp hơn. Như vậy, bản chất của kỹ thuật trải phổ là sự thực hiện trải phổ tín hiệu ở phía phát 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, phổ Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 17 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA của tín hiệu càng trải rộng ở phía phát và co hẹp lại ở phía thu thì càng có lợi về tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N). Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bc và băng tần thông tin Bi được gọi là tăng ích do xử lý (Gp) của hệ thống trải phổ Gp Bc Bi Máy thu sẽ thực hiện khôi phục thông tin ban đầu bằng việc tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ đã được sử dụng ở phía phát. Như vậy, máy thu chỉ khôi phục được thông tin khi nó biết được dãy mã trải phổ đã được sử dụng ở phía phát. 2.1.2. Các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ so với truyền dẫn băng hẹp a. Khả năng đa truy nhập Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trong cùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người sử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tương quan chéo đủ nhỏ. Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổ ứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng co hẹp lại trong khi các tín hỉệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần truyền dẫn. Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sử dụng đang quan tâm là đủ lớn để có thể cho máy thu nhận được. 1 1 1&2 1 2 2 2 a b c d Hình 2.1. Nguyên lý thông tin trải phổ Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 18 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA 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 nén trở lại phổ gốc tín hiệu ban đầu Ta thấy rằng cùng một lúc có thể có hai tín hiệu cùng được truyền đi trong cùng một băng tần, nhưng tại máy thu chỉ có tín hiệu 1 được nén phổ trở lại và khôi phục 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 tín hiệu đa đường có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số và giảm tín hiệu tại các tần số khác. Nhờ đặc tính đó trong tín hiệu băng rộng đã tạo ra một sự phân tập tần số một cách tự nhiên có tác dụng chống pha đinh chọn lọc. c. Khả năng bảo mật Tín hiệu được truyền đi trong cùng một băng tần chỉ có thể được nén phổ và khôi phục lại khi máy thu có mã trải phổ đã sủ dụng cho tín hiệu đó ở máy phát. d. Khả năng loại trừ nhiễu Việc tương quan chéo giữa mã trãi phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải rộng công suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong băng 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 nén phổ cũng tương tự như tạp âm. Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ nếu có băng tần trùng với băng tần (dải thông) của máy thu sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công suất của nhiễu giảm xuống. Vậy bản chất làm việc theo nguyên tắc trải phổ ở máy phát, nén phổ ở máy thu làm cho ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm được tối thiểu hóa. Tại máy thu tín hiệu trải phổ được nén phổ trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như tạp âm nền so với tín hiệu mong muốn. Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 19 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA Nhiễu Tin tức Nhiễu Tin tức 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 tự như nhiễu tự nhiên. Những tín hiệu không có sự tương quan về dãy mã ngẫu nhiên đều 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 phát hiện. 2.1.3. Cơ sở kỹ thuật trải phổ Dữ liệu X(t) Tín hiệu trên phổ băng rộng Bộ lọc Tốc độ K (bps) Mã trải phổ g(t) tốc độ chíp Rp Mã trải phổ g(t) tốc độ chíp Rp Tín hiệu khôi phục Độ rộng băng R 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 trải phổ g(t) có tốc độ chip Rp (chip/s). Giả thiết tốc độ băng truyền của X(t) và g(t) là R(Hz) và Rp(Hz). Nếu tín hiệu dữ liệu có băng hẹp hơn so với mã trải phổ thì tín hiệu 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 bộ với mã trãi phổ ở phía phát. Giả sử việc nhân là lý tưởng, nghĩa là tín hiệu mong muốn sẽ được nén phổ và tất cả các tín hiệu không mong muốn (nhiễu) sẽ được trãi Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 20