Mục lục
Lời nói đầu
.............................................................................................................................
1
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
.............................................................................................................................
1
1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại
.................................................................................................................................
1
1.1.1. Lịch sử và phát triển
.................................................................................................................................
1
1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
.................................................................................................................................
10
1.1.3. Phân loại các loại hệ thống thông tin di động
.................................................................................................................................
14
1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động
.................................................................................................................................
17
1.3. Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM
.................................................................................................................................
19
1.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM
.................................................................................................................................
19
1.3.2. Chức năng của các thành phần trong mạng GSM
.................................................................................................................................
20
1.3.4. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS
.................................................................................................................................
23
1.3.4.1. Khai thác và bảo dưỡng
.................................................................................................................................
23
1.3.4.2. Quản lý thuê bao
.................................................................................................................................
24
1.3.4.3. Quản lý thiết bị di động MS
.................................................................................................................................
25
1.3.5. Máy di động MS
.................................................................................................................................
25
1.3.6. Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM
.................................................................................................................................
26
1.3.6.1. Vùng mạng
.................................................................................................................................
26
1.3.6.2. Vùng phục vụ MSC
.................................................................................................................................
26
1.3.6.3. Vùng định vị và quy hoạch
.................................................................................................................................
27.................................................................................................................................
1.3.6.4. Ô (Cell)
.................................................................................................................................
28
2.2.3. Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC)
.................................................................................................................................
37
2.2.3.1. Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS
.................................................................................................................................
38
2.2.3.2. Hệ thống mạng liên kết INS
.................................................................................................................................
38
2.2.3.3.Hệ thống điều khiển trung tâm CCS
.................................................................................................................................
38
2.2.4. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR
.................................................................................................................................
39
2.2.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
.................................................................................................................................
39
2.2.6. Trung tâm nhận thực AC
.................................................................................................................................
40
2.2.7. Hệ thống điều khiển OS
.................................................................................................................................
40
2.3. Kỹ thuật trải phổ
.................................................................................................................................
40
2.3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)
.................................................................................................................................
41
3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở
.................................................................................................................................
61
3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín
.................................................................................................................................
65
3.1.3. Điều khiển công suất đường xuống
.................................................................................................................................
68
3.2. Tính toán dung lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA
.................................................................................................................................
71
3.2.1. Dung lượng cực đường truyền hướng lên
.................................................................................................................................
73
3.2.1.1. Tốc độ mã hoá thoại
.................................................................................................................................
77
3.2.1.2. Tích cực thoại
.................................................................................................................................
78
3.2.1.3. Can nhiễu
.................................................................................................................................
78
3.2.1.4. Tăng ích dải quạt
.................................................................................................................................
79
3.2.1.5. Điều khiển công suất chính xác
.................................................................................................................................
80
trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên thế giới.
Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ
GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được
các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng
thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát từ những suy nghĩ
như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài : “Ứng dụng công nghệ CDMA
trong thông tin di động”.
Nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.
Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3.
Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ
3.
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng
do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của các Thầy cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Hồ Quang Huy
cùng các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án
tốt nghiệp này.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại
1.1.1. Lịch sử và phát triển
a. Lịch sử
Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của các nhà bác học người ý
Marconi Guglielmo (1874-1937, giải Nobel vật lý 1909) đã cho they là thông
tin vô tuyến cỏ thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động.
Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi cho tới năm 1928
hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát.
Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ
thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Hồi
đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng choc kg, đầy tạp
ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chem. Chạp.
Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu sử dụng song mới
chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân
trong cộng đồng. Mặc dầu Bell Laboratories đã thai nghén ý đồ về một mạng
tế bào ngay từ khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào.
Thời kỳ ấp ủ lâu dài đó là do phải chờ đời các phát triển cần thiết trong công
nghệ. Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các
bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng
lớn… mạng vô tuyến tế bào mới được biến thành hiện thực. Những năm thập
kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự
thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đát công cộng (PLMR-
Public Land Mobile Radio). Làm việc ở giải UHF, các mạng này cho thấy một
sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân
sự. Chúng cho phép người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di
động với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng PSTN (Public Switched Telphone Network) hoặc các mạng đa dịch
số ISDN (Intergratd Services Digital Network). Trong những năm 1990 đã có
những bước tiến hơn nữa trong thông tin di động với việc áp dụng các mạng
tế bào số (digital cellular system) và các hệ thống không dây số (digital
cordless telecommunication system). Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền
thống, các hệ vô tuyến di động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các
dịch vụ mới khác như tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin
ngắn… Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi
toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng
các dịch vụ thông tin cố định.
Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International
Telecom-munication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di
động thế hệ thứ ba (3
G
: Generation) trong dự án IMT – 2000 (International
khả năng số liệu gói, số liệu kênh và fax số trên các thiết bị cdmaOne.
Một trong các mục tiêu quan trọng của ITU IMT-2000 là tạo ra các tiêu
chuẩn để hỗ trợ một băng tần trên toàn cầu nhằm thúc đẩy ở mức đọ cao việc
nhiều người thiết kế và hỗ trợ các dịch vụ cao. ITM-2000 sẽ sử dụng các đầu
cuối bỏ túi kích cỡ nhỏ, mở rộng nhiều môi trường khai thác và trỉên khai cấu
trúc mở cho phép đưa ra các công nghệ mới. Ngoài ra các hệ thống 3G hứa
hẹn đem lại các dịch vụ thoại vô tuyến có các mức chất lượng hữu tuyến đồng
thời với tốc độ và dung lượng cần thiết để hỗ trợ đa phương tiện và các ứng
dụng tốc độ cao. Các dịch vụ trên cơ sở định vị, đạo hàng, hỗ trợ cấp báo, và
các dịch vụ tiên tiến khác cũng sẽ được hỗ trợ.
Một trong các yêu cầu kỹ thuật của cdma2000 là tương thích với hệ
thống cũ cdmaOne về: các dịch vụ thoại, các bộ mã hoá thoại, các cấu trúc
báo hiệu và các khả năng bảo mật.
Giai đoạn 1 của cdma2000 (hay 1xRTT) (RTT: Radio Transmission
Technology) sử dụng độ rộng băng tần 1,25 MHz và truyền số liệu đỉnh 144
kbit/s cho các ứng dụng cố định hay di động. Giai đoạn 2 của cdma2000
(3xRTT) sẽ sử dụng độ rộng băng tần 5 MHz và có thể cung cấp tốc độ số
liệu 144kbit/s cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2 Mbit/s cho các ứng
dụng cố định. Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần
tiến tới 1 Mbit/s cho từng kênh lưu lượng hay kênh Walsh. Bằng cách hợp
nhất hay bó hai kênh, người sử dụng có thể đạt được tốc độ đỉnh 2 Mbit/s là
tốc độ đỉnh của IMT-2000.
Sự khác nhau cơ bản giữa giai đoạn một và giai đoạn hai của cdma2000
là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh.
Giai đoạn hai sẽ đưa ra các khả năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng
cho dịch vụ thoại 3G phổ biến, các bộ mã hoá thoại như VoIP (thoại trên nền
IP). Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử
vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện một bước tiến căn
bản đến các khả năng đầy đủ của 3g bằng cách thực hiện 1xRTT. Cdma2000
giai đoạn hai sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lý
thấy việc sử dụng các máy cầm tay đa chế độ và các giải pháp nảy sinh do thị
trường như là lộ trình chắc chắn nhất để thống nhất tiêu chuẩn CDMA 3G ở
thế hệ thông tin vô tuyến tiếp theo. Vì thuê bao đòi hỏi sự tiện lợi và công
suất vô tuyến lớn hơn, việc chuyển sang công nghệ 3G cho phép các nhà khai
thác hỗ trợ các khả năng cao hơn, giảm giá thành mạng và tăng tổng lợi
nhuận.
IS-95A
IS-95B
Cdma2000
giai đoạn 2
Cdma2000
giai đoạn 1
2 Mbit/s
144 Mbit/s
64 kbit/s
14,4 kbit/s
2G cdmaOne
3G
2002
Hình 1.1. Lộ trình phát triển từ cdmaOne đến cdma2000
Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM đến thế hệ hai
sang W-CDMA thế hệ ba
Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh
đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động hai sẽ được chuyển
đổi từng bước sang thế hệ ba. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi như
sau:
Hình 1.2. Lộ trình phát triển từ GSM đến W-CDMA
Ký hiệu:
không sử dụng tài nguyên vô tuến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có
thông tin cần gửi đi. GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian
thực như email và lướt Web. Triển khai hệ thống này thì tốn kém hơn hệ
thống HSCSD. Mạng này cần các thành phần mới cũng như cần sửa đổi các
thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng
dung lượng, dịch vụ. Một mạng GMS mà không có khả năng GPRS thì sẽ
không tồn tại lâu trong tương lai. ở Việt Nam, quý IV năm 2005 Vinaphone
và Mobiphone cũng đã triển khai GPRS.
Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự
phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 Kbps
với 8Ts thay vì 14,4 Kbps cho mỗi Ts, EDGE đạt tới 48 Kbps cho mỗi Ts. ý
tưởng của EDGE là sử dụng phương pháp điều chế mới được gọi là 8 PSK.
EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với mạng GSM vì nó chỉ
yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng
hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gausian
(GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể sử dụng máy di
động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn.
Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ GMSK. Nếu EDGE được sử dụng
cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS) còn
sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là CSD.
WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuến băng thông rộng sử dụng băngg
tần 5Mhz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2 Mbps. R
b
≤ 384 Kbps. Hiện ytại
cả Châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm hoặc triển khai WCDMA và
công nghệ này đang tiến triển nhanh trên cong đường thương mại hoá.
1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
Đặc tính truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu được ở máy
thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ
trễ. Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên. Sự
hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau trong
trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín
hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng
băng tần W
D
lên tới 2f
m
(tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ f
c
- W
s
/2 tới f
c
+ W
s
/2) thì tín hiệu nhận đựơc sẽ trải ra trên một dải tần số có độ
rộng tới cỡ W
s
+W
D
với tần số trung tâm có thể khác với f
c
. Như vậy, hiệu ứng
Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách trầm trọng. Chỉ
trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (v=0) hoặc máy thu đang
chuyển động vuông góc với góc của tín hiệu (cosα
i
=0) thì tần số tín hiệu thu
mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát. Tuy nhiên, đối với thông tin
di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát không có nghĩa là không xảy
thu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát
đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ
bởi các cao ốc và các chướng ngại linh tinh khác trong vùng truyền sóng
trước khi tới máy thu. Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu
được tại máy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường
đi của nó) về pha, độ trễ, biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler. Kết quả là
tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản với sóng
mang đã phát. Trong trường hợp nghiêm trọng, tổng véctơ của các tín hiệu tới
theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp. Hiện tượng này gọi là pha-
đinh đa đường (multipath fadinh). Khi máy di động di chuyển, mức điện thu
bị pha-đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng dọc theo hành trình của
nó. Một khi pha-đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thể giảm tới không,
tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, khi đó đầu ra máy thu hoàn
toàn tuỳ thuộc vào nhiễu của kênh.
Hiện tượng trải trễ: Trong thực tế, sóng mang được điều chế. Trong
thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ
thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (symbol) và độ trải trễ (deley
spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ có thể xem như
độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi. Nếu số liệu
được truyền với tốc độ thấp thì sự trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại
phần thu. Đó là vì sự bành trướng của một xung số liệu do truyền theo nhiều
tia sóng khác nhau thì kết thúc trước khi xung tiếp theo được phát đi. Tuy thế
nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu
sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các dấu
ISI (InterSymbol Interference). Nếu không có các mạch san bằng kênh nhằm
loại bỏ ISI thì tỷ lệ bít BER (Bit-Error Ratio) có thể sẽ lớn tới mức không
chấp nhận được. Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy
di động lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất
phát (tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải trễ nhìn chung là nhỏ. Khi
đó ISI sẽ còn không đáng kể và do vậy không cần đến san bằng kênh.
b. Phân loại theo đặc tính:
Vô tuyến di động tương tự: là các hệ thống điện thoại di động thế hệ
thứ nhất. Tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự, điều chế FSK (Frequency Shif
Keying). Phương thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA. Các kênh điều khiển
thì đã được số hoá.
Vô tuyến di động số: cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là
tín hiệu số. Ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số
cónf cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác như truyền các tin ngắn,
truyền fax, truyền số liệu… Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông
tin.
c. Phân loại theo phương thức đa truy nhập:
Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thông
tin di động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng
cho đường xuống (down-link) từ BS tới MS và đường lên (up-link) từ MS tới
BC. Với mỗi một hướng liên lạc, mỗi một người sử dụng chiếm một dải tần
con có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên
lạc. Đặc điểm của phương thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp,
khó áp dụng các dịch phụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao
nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu- phát làm việc trên
bấy nhiêu tần số đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh.
Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các
hệ thống vô tuyến di động thế hệ hai, hoàn toàn số hoá. Với loại đa truy nhập
theo thời gian này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời
gian nhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm: dễ dàng mở
các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ cần một máy thu
Thời gian
FDMA
Tần số
N
1
bảo đảm tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu
nên khả năng chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống CDMA thế
hệ thứ hai hiện thời còn chưa cao. Tuy nhiên, trong tương lai rất gần khi nhu
cầu về thuê bao di động cũng như các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất
lớn, các biện pháp và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm
lĩnh ưu thế tuyệt đối. Phương thức đa truy nhập CDMA đã được lựa chọn sử
dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G (WCDMA hay
CDMA2000…). Theo ý kiến của các nhà chuyên gia hàng đầu thế giới, các
thế hệ tiếp theo của thông tin di động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát
triển của nó.
1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động
Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định
thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù
cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi.
Để đảm bảo các chức năng trên thì các mạng thông tin di động phải đảm
bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây:
Thời gian
Mã
N
1
Tần số
CDMA
Hình 1.5. Đa truy nhập theo mã
Copyright: Tài liệu đại học ©