ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI: 2010
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt đƣợc trong luận văn là sản phẩm của riêng cá
nhân tôi, không sao chép của ngƣời khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn,
những điều đƣợc trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là đƣợc tổng hợp từ nhiều
nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích
dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỉ luật
theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, 10/2010
Nguyễn Thƣợng Đức

3
2.4.5 Hệ số suy hao trong nhà 35
2.5 Mô hình tổn hao đƣờng đơn giản [3] 36
2.6 Fadinh che tối 37
2.7 Kết hợp suy hao đƣờng và quá trình che tối 39
2.8 Xác suất gián đoạn theo suy hao đƣờng và che tối. 40
2.9 Kết luận chƣơng 40
CHƢƠNG 3: GIẢM XÁC SUẤT LỖI BẰNG CÁC GIẢI PHÁP PHÂN TẬP
ANTEN. 41
3.1 Giới thiệu 41
3.2 Tạo các đƣờng truyền độc lập 41
3.3 Phân tập thu 43
3.3.1 Mô hình hệ thống 43
3.3.2 Phƣơng pháp phân tập kết hợp lựa chọn (Selection Combining) 45
3.3.3 Phân tập kết hợp ngƣỡng (Threshold Combining) 52
3.3.4 Kết hợp với tỉ lệ cực đại (MRC – Maximal Ratio Combining) 54
3.3.5 Kết hợp cùng độ lợi (Equal-Gain Combining) 60
3.4 Phân tập phát 63
3.4.1 Kênh đã biết tại đầu phát 63
3.4.2 Kênh chƣa biết tại đầu phát – Sơ đồ Alamouti 65
3.4 Kết luận chƣơng 67
KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 70

4
DANH MỤC HÌNH VẼ
5
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA 16
Bảng 2.1: Tổn hao vách ngăn điển hình 36
Bảng 2.2: Hàm mũ tổn hao đƣờng điển hình 37

RNS Radio Network Subsystem
SDMA Space Division Multiple Access
SNR Signal To Noise Ration
TDMA Time Division Multiple Access
TDD Time Division Duplex
TPC Tranmission Power Control
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network
UMTS Universal Mobile Telecommunnication System
WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access
8

LỜI CẢM ƠN

thống thông tin di động với lợi thế giúp con ngƣời trao đổi thông tin mọi lúc,
mọi nơi đang ngày càng chiếm ƣu thế và khẳng định ƣu điểm nổi trội.
Lộ trình GSM-GPRS-EDGE-3G tỏ ra đặc biệt phù hợp với các mạng thông
tin di động của nhiều nƣớc trên thế giới. Đối với các nhà khai thác mạng di động
GSM thì cái đích đến 3G là hệ thống CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn
IMT-2000. Tại Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cũng đã và
đang đƣợc các nhà khai thác ráo riết triển khai và đƣa vào sử dụng.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với nhiều ƣu điểm vƣợt trội về công
nghệ và dịch vụ. Tuy vậy môi trƣờng fading hạn chế nhiều đến dung lƣợng và
chất lƣợng truyền tin trên đó.
Việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp giảm can nhiễu để tăng dung lƣợng, giảm
xác suất lỗi truyền số liệu trên đó là một bài toán hết sức cần thiết.
Để thực hiện giảm can nhiễu trong hệ thống 3G, các nhà nghiên cứu tập
trung vào các hƣớng chính:
 Tìm các giải pháp mã hóa có độ chống nhiễu cao.
 Dùng các loại mã sửa sai phù hợp với đặc tính kênh truyền dẫn.
 Cân bằng chống fading.
 Phân tập cho máy thu – phát.
Trong luận văn này, học viên nghiên cứu giải pháp thu phân tập, tiến hành
tính toán, mô phỏng để từ đó tìm ra số anten phù hợp cho hệ thống phân tập thu
để có hiệu quả tốt nhất.
Luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng.
Chƣơng một giới thiệu những nét đặc trƣng về hệ thống thông tin di động
3G.
Chƣơng hai tập trung nghiên cứu các yếu tố làm suy giảm chất lƣợng thu
tín hiệu. Tính toán xác suất lỗi thu trong một số hoàn cảnh truyền dẫn của kênh.
Đây là chƣơng làm nền tảng cho tính toán xác suất lỗi và so sánh chúng trong
10
hoàn cảnh không sử dụng giải pháp phân tập và sử dụng giải pháp phân tập ở
chƣơng ba.

chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng đƣợc các dịch vụ mới này. Trong
bối cảnh đó, ITU đã đƣa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin đi động thế
hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000. IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung
cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phƣơng tiện thông tin. Mục đích của
IMT-2000 là đƣa ra nhiều khả năng mới nhƣng đồng thời đảm bảo sự phát triển
liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G). Thông tin di động thế hệ thứ
ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 đƣợc đƣa vào phục vụ từ năm 2001. Các
hệ thống 3G cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit
thấp và cao, đa phƣơng tiện, video cho ngƣời sử dụng làm việc ở cả vùng công
sở lẫn vùng dân cƣ hay trên các phƣơng tiện vận tải.
Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 nhƣ sau:
 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz nhƣ sau:
- Đƣờng lên:1885-2025 MHz.
- Đƣờng xuống: 2110-2200 MHz.
 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình vô tuyến.
- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
- Tƣơng tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông.
 Sử dụng các phƣơng tiện khai thác khác nhau.
- Trong công sở.
- Ngoài đƣờng.
- Trên xe.
- Vệ tinh.
 Có thể hỗ trợ các dịch vụ nhƣ:
12
- Các phƣơng tiện nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ
sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu.
- Đảm bảo chuyển mạch quốc tế.
- Đảm bảo dịch vụ đa phƣơng tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói.
 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

cơ hội).
W- CDMA nhận đƣợc nhiều sự ủng hộ nhất, trƣớc hết nhờ tính linh hoạt
của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là các dịch
vụ tốc độ bit thấp và trung bình. Nhƣợc điểm của W- CDMA là hệ thống không
cấp phép trong băng TDD với phát thu liên tục, không tạo điều kiện cho các kỹ
thuật chống nhiễu ở các phƣơng tiện làm việc nhƣ máy điện thoại không dây.
1.1 Các đặc điểm của W-CDMA [4]
W-CDMA có các đặc điểm sau đây.
 Hiệu suất sử dụng tần số cao.
13
Về nguyên tắc, dung lƣợng tiềm năng của hệ thống đƣợc xem nhƣ giống
nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy cập nhƣ TDMA và FDMA đƣợc ứng
dụng. Trong khi CDMA thƣờng đƣợc coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao,
điều này nên đƣợc hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất
sử dụng tần số. Ví dụ, CDMA có thể đạt đƣợc một mức hiệu suất chắc chắn nhờ
kỹ thuật điều chỉnh công suất phát chính xác. Ngƣợc lại TDMA sẽ phải sử dụng
đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt đƣợc cùng mức hiệu
suất nhƣ vậy. Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo
đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống.
 Dễ dàng quản lý tần số
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần
phải quy hoạch tần số. Ngƣợc lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA
cần phải đặc biệt chú ý đến việc quy hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong
thực tế thƣờng dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất quy tắc
và các đặc tính địa hình phức tạp. Cần phải chú ý rằng các quy hoạch tần số
không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số. CDMA không cần có
quy hoạch tần số nhƣ thế.
 Công suất phát của máy di động thấp.
Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-
CDMA có thể giảm tỉ số E

tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng. Khi
không phát dữ liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng. Do đó, nếu
một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở đƣờng lên và một thuê bao khác chỉ thực
hiện truyền tin ở đƣờng xuống thì tài nguyên vô tuyến đƣợc sử dụng tƣơng
đƣơng tài nguyên cho một cặp đƣờng truyền lên và xuống. Thông thƣờng,
TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các
trƣờng hợp nhƣ vậy.
Các thuộc tính băng rộng của W-CDMA cho hiệu suất cao theo các khía
cạnh sau:
 Nhiều tốc độ dữ liệu
Băng thông rộng cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao. Nó cũng cho phép
cung cấp có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kết hợp các dịch vụ tốc độ thấp và
dịch vụ tốc độ cao. Ví dụ trong TDMA, các tốc độ truyền khác nhau đƣợc cung
cấp bằng cách thay đổi số khe thời gian đƣợc phân chia, nhƣng ở tốc độ thấp
nhƣ tốc độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh
nhƣ mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại.
 Cải thiện các giải pháp chống fading nhiều tia
Công nghệ thu phân tập RAKE ( thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất
lƣợng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu
15
một tia để thu và kết hợp chúng lại. Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp
truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập
đƣờng truyền làm số đƣờng truyền tăng lên, giúp giảm công suất phát và tăng
dung lƣợng.
 Giảm tỉ lệ gián đoạn tín hiệu
Băng thông rộng làm tăng tốc độ bit trong kênh điều khiển và tạo ra khả
năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu. Nhờ đó, các thiết bị đầu cuối có thể
thu các tín hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn. Điều này kéo
dài thời gian chờ của pin ở thiết bị đầu cuối.
1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA [4]

Phƣơng pháp mã hóa thoại
ARM ( 1,95 kbit/s – 12,2 kbit/s)
Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA
Ghi chú: ARM: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: Điều chế pha hai trạng
thái; FDD: Điều chế song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp
(lai); QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái.
Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu
chuẩn viễn thông châu Âu ( ETST) đã chủ trƣơng xây dựng các hệ thống vô
tuyến tập trung trên sóng mang 5MHz và cũng có thể bao gồm các sóng mang
10MHz và 20MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) tập trung hoàn thiện các
đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹ thuật
cho các băng tần khác. Điều này có thể lý giải trong thực tế thì sóng mang có
băng tần 5MHz là đủ để đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu 2 Mb/s mặc dù bằng tần
20MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền dữ liệu ở tốc độ này. Phiên bản hiện tại
về các đặc tính kỹ thuật đƣợc đƣa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và
ETSI chỉ giới hạn độ rộng băng tần 5MHz.
Chế độ không đồng bộ (dị bộ) đƣợc áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng
không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS. Nhờ việc thiết kế này cũng
có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa các BS. Độ dài khung dữ liệu cơ bản là
10ms và cũng có thể có độ dài khác (bảng 1.1) do sử dụng xen kẽ.
Phƣơng thức điều chế tín hiệu đƣợc sử dụng là điều chế pha bốn trạng thái
QPSK cho đƣờng xuống và chiều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đƣờng lên.
Phƣơng thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) đƣợc áp dụng cho điều chế trải phổ
ở đƣờng lên. Quá trình tách sóng dựa trên phƣơng pháp tách sóng nhất quán có
sự trợ giúp của ký hiệu pilot ( kí hiệu dẫn đƣờng ). Đối với đƣờng xuống, các ký
hiệu pilot đƣợc ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều
chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong thiết bị đầu
cuối. Đối với đƣờng lên, các ký hiệu pilot đƣợc trải phổ bởi các mã trải phổ khác
với số dữ liệu và đƣợc ghép vuông pha (I/Q) với dữ liệu. Điều này đảm bảo cho
quá trình truyền dữ liệu đƣợc liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa
thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lƣu giữ
các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan
đến truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
.
Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển
các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B đƣợc kết nối với nó). RNC còn
là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
 CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thƣờng trú lƣu giữ
PLMN,PSTN
ISDN
Internet
Các
mạng
ngoài
MSC
/VLR

GMSC

GGSN


U

Hình 1.1: Cấu trúc của UMTS
19
thông tin chính về lý lịch dịch vụ của ngƣời sử dụng. Các thông tin này bao
gồm: Thông tin về các dịch vụ đƣợc phép, các vùng không đƣợc chuyển mạng
và các thông tin về dịch vụ bổ sung nhƣ trạng thái chuyển hƣớng cuộc gọi, số
lần chuyển hƣớng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):
Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển
mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch
chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lƣu giữ bản sao về lý lịch ngƣời sử dụng
cũng nhƣ vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS): Có chức năng nhƣ MSC/VLR nhƣng đƣợc sử
dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng nhƣ GMSC nhƣng
chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các mạng ngoài
- Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
- Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các giao diện vô tuyến
- Giao diện C
U
: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện
này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện U
U
: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định
của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.

UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
1.3.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thƣờng là với một MSC và một SGSN)
qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển
tải và tránh tắc nghẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều
tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng
21
biệt.
- RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả
đƣờng nối Iu để truyền số liệu ngƣời sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng
dụng mạng truy nhập vô tuyến) tƣơng ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối
báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp
kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node
B nào đó đƣợc sử dụng để MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC): DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều
khiển các ô đƣợc MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân
tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ
định tuyến số liệu giữa các giao diện I
Ub
và I
Ur
. Một UE có thể không có hoặc có
một hay nhiều DRNC.
1.3.1.3 Node B
Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện
vô tuyến nhƣ mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ… Nó cũng thực
hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng