TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG
===== =====
đồ án
tốt nghiệp đại học
Đề tài:
kỹ thuật trải phổ trong mạng
thông tin di động wcdma
Ngi hng dõn : ths. nguyễn thị minh
Sinh viờn thc hiờn : bùi hoàng lịch
Lp
: 49K - ĐTVT
Mó s sinh viờn
: 0851085156
NGHỆ AN - 01/2013
2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)
MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..................................................................................................................ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ.......................................................................................................iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU..................................................................................................iv
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..............................................................................................v
CHƯƠNG 1
3.7.2. Nhiễu đa đường..........................................................................................................47
3.7.3. Nhiễu băng hẹp..........................................................................................................47
3.7.4. Xác suất phát hiện thấp .............................................................................................47
3.8. Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA...................................................................48
3.9. Trải phổ và điều chế đường lên..................................................................................49
3.10. Trải phổ và điều chế đường xuống...........................................................................52
Kết luận chương 3................................................................................................................57
KẾT LUẬN............................................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................59
5
LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ
thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi
nơi. Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động
số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu
tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu
của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị
truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)… WCDMA là nhánh công nghệ 3G
được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống thông tin di động 2G GSM.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựa chọn
tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000. Giao diện vô tuyến trên cơ sở
CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng yêu cầu
của hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khá
lớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp đã mở rộng dải tần tới 5MHz đã
phần nào đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng. Vì vậy em đã chọn đề tài: “Kỹ
thuật trải phổ trong mạng thông tin di động WCDMA”. Nội dung đồ án bao
gồm 3 chương:
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang
1.1. Lịch sử phát triển thông tin đi động................................................................................1
1.1.1. Hệ thống thông di động thứ nhất.................................................................................2
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thứ hai..............................................................................3
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thứ ba ..............................................................................5
1.1.4. Hệ thống thông tin di động thứ tư...............................................................................7
1.2. Hướng phát triển của WCDMA......................................................................................8
Kết luận chương 1..................................................................................................................9
2.1. Giới thiệu về hệ thống WCDMA..................................................................................10
2.2. Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA......................................................11
2.3. Cấu trúc hệ thống WCDMA.........................................................................................16
2.3.1. Cấu trúc mạng WCDMA...........................................................................................16
2.3.2. Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN............................................................................19
2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS.....................................................................................22
3.1. Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số............................................................29
3.2. Khái niệm về trải phổ....................................................................................................30
3.3. Hệ thống thông tin trải phổ...........................................................................................32
3.4. Các phương pháp trải phổ.............................................................................................34
3.5. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS...........................................................................35
3.5.1. Hệ thống DSSS – BPSK............................................................................................38
3.5.2. Hệ thống DSSS – QPSK............................................................................................41
3.6. Áp dụng DSSS cho WCDMA.......................................................................................44
3.7. Các đặc tính của DS-CDMA.......................................................................................46
3.7.1. Đa truy nhập ..............................................................................................................46
3.7.2. Nhiễu đa đường..........................................................................................................47
3.7.3. Nhiễu băng hẹp..........................................................................................................47
3.7.4. Xác suất phát hiện thấp .............................................................................................47
3.6. Áp dụng DSSS cho WCDMA.......................................................................................44
3.7. Các đặc tính của DS-CDMA.......................................................................................46
3.7.1. Đa truy nhập ..............................................................................................................46
3.7.2. Nhiễu đa đường..........................................................................................................47
3.7.3. Nhiễu băng hẹp..........................................................................................................47
3.7.4. Xác suất phát hiện thấp .............................................................................................47
3.8. Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA.....................................................................48
3.9. Trải phổ và điều chế đường lên....................................................................................49
3.10. Trải phổ và điều chế đường xuống.............................................................................52
Kết luận chương 3................................................................................................................57
iv
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
1G
1st Generation
Là hệ thống thông tin di động
2G
thứ nhất
AMPS
Advanced Mobile Phone Service
Dịch vụ điện thoại di động tiên
ATM
Asynchronous Transfer Mode
tiến
Phương thức truyền không
AuC
Authentication Center
đồng bộ
Trung tâm nhận thực
BCCH
Broadcast Control Channel
Kênh điều khiển quảng bá
BCH
Broadcast Chanel
Trạm gốc vô tuyến
CCCH
Common Control Chanel
Kênh điều khiển chung
CDMA
Code Division Multi Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CM
Communication Management
Quản lý thông tin
CN
Core Network
Mạng lõi
3G
rd
Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển dùng chung
DPCCH
Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng
DSCH
Downlink Shared Channel
Kênh dùng chung đường xuống
DS
Direct Sequence
Chuỗi trải phổ trực tiếp
DPCH
Dedicated Physical Channel
Kênh vật lý riêng
DSCH
Downlink Shared Channel
Standard Institute
Frequency Division Multiple
châu Âu
Đa truy nhập phân chia tần số
FER
Access
Frame Error Rate
Tỷ lệ lỗi khung
FACH
Forward Access Channel
Kênh truy nhập đường xuống
FHSS
Frequency Hopping/Spread
Trải phổ nhảy tần
GPRS
Spectrum
General Packet Radio Services
vi
IMT-2000
International Mobile
Viễn thông di dộng quốc tế
IP
Telecommunications-2000
Internet Protocol
2000
Giao thức Internet
IS-95
Interim Standard-95
Tiêu chuẩn thông tin di động
MC-
Multi-Carrier CDMA
TDMA của Mỹ
Phần ứng dụng di động
Bắc Âu
Ghép kênh phân chia tần số
NSS
Multiplexing
trực giao
Network and Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch
PCCH
Paging Control Channel
Kênh điều khiển nhắn gọi
PCH
Paging Channel
Kênh nhắn gọi
PCS
Persional Communication System
Hệ thống thông tin cá nhân
PDCH
Network
Packet-switched
công cộng
Chuyển mạch gói
PCPCH
Physical Common Packet Channel
Kênh gói chung vật lý
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế dịch pha cầu phương
vii
RACH
Short Message Service
Dịch vụ tin nhắn
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SCH
Synchronisation Channel
Kênh đồng bộ
TACS
total Access Communications
Hệ thống truyền thông truy
TDD
System
Time Division Duplex
nhập tổng hợp
Ghép song công phân chia theo
Network
Visitor Location Register
đất UMTS
Bộ ghi định vị tạm trú
WAP
Wireless Application Protocol
Thủ tục ứng dụng vô tuyến
WCDMA
Wideband Code Division Multiple
Đa truy nhập phân chia theo mã
WIMAX
Access
Worldwide Interoperability for
băng rộng
Tương hợp truy nhập vi ba toàn
Microwave Access
cầu
song công rộng 2 x 30 KHz = 60 KHz). Phổ tần này được phân đều cho 2 nhà cung
cấp để tạo sự cạnh tranh.
1
Năm 1989, trước yêu cầu của tăng trưởng mạnh mẽ của người sử dụng FCC
phân thêm cho dịch vụ 10MHz phổ tần nữa (ứng với 166 kênh song công). Hệ thống
điện thoại tế bào hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số,
kỹ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA).
Năm 1991, hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn Í-54 trên cơ sở hạ tầng
AMPS. Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30KHz, kỹ thuật điều chế ( 4/ חDQPSK).
Khi kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6
lần (kết hợp với kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA và tồn tại song song với
AMPS trên cùng một cơ sở hạ tầng). Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM).
Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ phát triển bởi công
ty QUALCOM theo tiêu chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần
1.25 MHz, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Có nhiều ưu
điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỷ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính
canh tranh hơn.
Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng như
được đặt ra từ những năm 90. Từ năm 1995, chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải
tần 180 -> 2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân
(PCS).
1.1.1. Hệ thống thông di động thứ nhất
1G (1st Generation): Là hệ thống thông tin di động thứ nhất với tín hiệu sóng
analog, sử dụng công nghệ FDMA, được giới thiệu trên thị trường vào thập niên 80.
Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được
sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như
Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
-
BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS –
Advanced Mobile Phone System.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập
đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu sử dụng ngày càng cao của
con người về cả dung lượng lẫn tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà người ta đưa ra
hệ thông thông tin di động thứ hai ưu điểm hơn thế hệ thứ nhất về cả dung lượng và
dịch vụ được cung cấp.
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thứ hai
2G : Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác
hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Ra đời vào đầu nhưng năm 1990, chuẩn GSM của
Châu Âu và IS-54 (tồn tại song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS95 cho phương pháp đa truy nhập CDMA. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
dựa trên kỹ thuật phân chia theo mã thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy cập phân
3
chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK,
FSK…
Hệ thống thông tin di động thứ hai theo mã IS-95 được phát triển ở Mỹ. Hệ
thống này sử dụng lại băng tần 824MHz – 849MHz cho tuyến lên và 869MHz –
894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1.25MHz. Hệ
thống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng tần sử
dụng gồm hai dải tần: 890MHz – 915MHz cho tuyến lên và 935MHz – 960MHz cho
tuyến xuống. Dải tần này được chia nhỏ ra thành các giải con rông 200KHz (gọi là
thời gian trong băng tần. Do đó việc chuyển giao toàn cầu chưa được thực hiện.
Vì vậy mà yêu cầu một hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G) ra đời là một
điều tất yếu.
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thứ ba
Những năm cuối những năm 90 thế hệ thông tin động thứ ba ra đời với kỹ
thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cãi tiến. Là công nghệ truyền thông thế hệ thứ
3, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin
nhắn nhanh SMS, hình ảnh,…). Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn
toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Trong các dịch vụ của 3G, cuộc gọi video
thường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển. Ở thế hệ thứ 3 này
các hệ thống thông tin di động có xu hướng hòa nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất
có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống
thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3 gọi
là hệ thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được
đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và
đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những năm 2000. Các hệ thống này đều
sử dụng công nghệ WCDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới
cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông di động thế hệ thứ ba.
Công nghệ 3G được chia làm 2 dòng chuẩn:
• UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ
truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác
dịch vụ di động sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á
(trong đó có Việt Nam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ
chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE.
5
trên xe, vệ tinh.
-
Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
-
Tăng phương thức truyền tải không đối xứng. Do các dịch vụ số liệu mới.
-
Có thể hỗ trợ các dịch vụ như sau:
6
+ Môi trường nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển
mạng toàn cầu.
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đông thời cho thoại, số liệu chuyển
mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
-
Chất liệu thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến.
-
Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
7
Khi di chuyển và tới 1Gbit/s khi đứn yên, cũng như cho phép sử dụng có thể
tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện
tại của DoCoMo có tốc độ 384Kbit/s và chuyển dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s.
NTT DoCoMo cũng hi vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào
kinh doanh, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải
nghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa
từ chính chiếc điện thoại di động của mình.
Các đặc điểm của 4G:
- Cải tiến về dịch vụ dữ liệu: tốc độ bit, 20 – 100 Mbit/s.
- Phương thức điều chế: OFDM, MC-CDMA
- Xu hướng kết hợp mạng lõi IP + mạng truy nhập di động (3G) và truy nhập
vô tuyến WIMAX &WIFI.
1.2. Hướng phát triển của WCDMA
Hệ thống thông tin di động thứ tư là một công nghệ di động mới đang được
phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP. Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004. Mặc dù
3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps),
nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di
động.... Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WIMAX cũng như nhu cầu cung cấp
dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 4G để có thể
đứng vững.
4G hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn
100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps. Giống như WIMAX, 4G dựa
trên nền gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G
hiện tại. Kiến trúc mạng của 4G sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy
nhiên mạng 4G vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G. Điều này
hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 4G mà không cần thay đổi toàn
bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. 4G sử dụng công nghệ đa truy cập OFDMA cho kênh
Code Division Multiple Access), gọi là đa truy cập phân mã băng rộng, là một kỹ
thuật đa truy cập dựng trong mạng 3G (UMTS và FOMA) dựa trên công nghệ
CDMA (đa truy cập theo mã) hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA và có
khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet,
hội thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz 2170 MHz...
W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng
cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong
các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn
nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác
nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng
TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các
môi trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ
với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối
xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả
năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch
vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các
dịch vụ đa phương tiện khác.
10
Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng sau:
Bảng 2.1. Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA
Băng thông chuẩn
4-256 (đường lên) và 4-512 (đường xuống)
Mạch vòng mở và vòng kín nhanh (1,6Khz)
Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kênh,
Trải phổ đường lên
chuỗi Gold 218 để phân biệt ô và phân biệt người sử dụng.
Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân biệt,
chuỗi Gold 241 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q
Chuyển giao
dịch thời gian với nhau)
Chuyển giao mềm
Chuyển giao giữa các tần số
2.2. Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA
Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng
thời đảm bảo tính kinh tế, các hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước lên thế hệ
3G. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 2.1.
GSM
HSCS
D
GPRS
EDGE
Hình 2.1. Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
1) Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD
HSCSD là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch
kênh hiện nay 9,6 Kbps (hay cải tiến 14,4 Kbps) của GSM. Để tăng tốc độ số liệu,
người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Có thể kết hợp động từ
1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64Kbps cho một người sử dụng.
Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,1 Kbps, như
vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100Kbps.
12
Copyright: Tài liệu đại học ©