Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và triẻn khai công nghệ cdma 2000 1x trong hệ thống mạng viễn thông evntelecom

DCS Digital Communications System Hệ thống thông tin số DECT Digital Enhanced Cordless EIP External Interface Processor Bộ xử lý giao tiếp bên ngoài EIR Equipment Identity Register Tha

-LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ CDMA 2000 1X TRONG HỆ THỐNG MẠNG VIỄN THÔNG

DI ĐỘNG CỦA EVNTELECOM

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGUYỄN QUANG TUẤN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS VŨ QUÝ ĐIỀM

HÀ NỘI 2007

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xii

LỜI NÓI ĐẦU xiv

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Mạng thông tin di động số Cellular 1

1.1.1 Hệ thống thông tin điện thoại di động 1

1.1.2 Cấu trúc mạng thông tin số Cellular 2

1.1.3 Sự phát triển của hệ thống thông tin Cellular 4

1.1.4 Các phương pháp truy cập trong mạng thông tin di động số 5

1.2 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động tế bào CDMA 5

1.3 Ưu điểm của công nghệ CDMA 9

1.3.1 Tăng dung lượng hệ thống 10

1.3.1.2 Giảm tỷ số E b /N 0 12

1.3.1.3 Mã hoá tốc độ biến đổi 12

1.3.1.4 Điều khiển công suất 13

1.3.2 Nâng cao chất lượng cuộc gọi 14

1.3.3 Quá trình thiết kế được đơn giản hoá 14

1.3.4 Nâng cao tính bảo mật thông tin 15

1.3.5 Cải thiện vùng phủ sóng 15

1.3.6 Tăng thời gian sử dụng pin 15

1.3.7 Cung cấp dải thông theo yêu cầu 15

1.3.8 Vấn đề nâng cấp mạng 16

1.4 Công nghệ CDMA 16

1.4.1 Tổng quan 16

1.4.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu 17

1.4.3 Các đặc điểm của CDMA 18

1.5 Kỹ thuật trải phổ 31

1.5.1 Giới thiệu hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS) 32

1.5.2 Các hệ thống DS/SS – BPSK 32

1.5.3 Các hệ thống DS/SS – QPSK 37

1.6 Dãy tạp âm giả ngẫu nhiên PN 40

Chương 2: HỆ THỐNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA 2000 1X 45 2.1 Sơ đồ kiến trúc mạng CDMA 2000 1X 45

2.1.1 Nút phục vụ số liệu gói PDSN : 46

2.1.2 Nhận thực, trao quyền và thanh toán AAA: 46

2.1.3 Home Agent ( HA ): 47

2.1.4 Router: 47

2.1.5 Trạm thu phát gốc BTS: 47

2.2 Cấu trúc địa lý hệ thống thông tin di động CDMA 2000 1X 49

2.3 Các mô hình tổn hao đường truyền trong thông tin di động 50

2.3.1 Đặt vấn đề 50

2.3.2 Các mô hình tổn hao đường truyền 50

2.3.2.1 Mô hình tổn hao đường truyền trong không gian tự do: 50

2.3.2.2 Mô hình Hata Okumura 51

2.3.2.3 Mô hình Walfisch/Ikegami (COST 231) 52

2.3.2.4 Kết luận 55

Chương III: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ CDMA 2000 1X TRONG HỆ THỐNG MẠNG CỦA EVNTelecom 56

3.1 Tổng quan hiện trạng và nhu cầu 56

3.1.1 Mật độ điện thoại tại Việt nam 56

3.1.2 Hiện trạng các Nhà khai thác viễn thông tại Việt Nam 56

3.1.3 Phân bố dải tần tại Việt nam 57

3.1.4 Quy hoạch băng tần cho các hệ thống thông tin vô tuyến cố định và lưu động mặt đất của Việt Nam trong dải tần 406,1-470MHz” của Bộ Bưu Chính Viễn Thông 57

3.1.5 Các số liệu thống kê đầu vào 58

3.1.6 Dự báo nhu cầu dịch vụ truyền thông 63

3.1.7 Dự báo thuê bao 64

3.1.8 Thực trạng mạng lưới CDMA 2000 1X của EVNTelecom 70

3.1.9 Sự cần thiết của thiết kế 73

3.1.10 Mục tiêu thiết kế 73

3.1.11 Qui mô thiết kế 73

3.1.11.1 Tổng hợp số lượng BTS cần bổ sung 73

3.1.11.2 Quy mô thiết kế 74

3.1.12 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật và công nghệ 75

3.1.12.1 Các công nghệ và xu hướng phát triển 75

3.1.12.2 Thị phần của TDMA (GSM) 76

3.1.12.3 Thị phần của CDMA 76

3.1.12.4 Ưu điểm của TDMA (GSM) 77

3.1.12.5 Hạn chế của TDMA (GSM) 78

3.1.12.6 Ưu điểm của CDMA 78

3.1.12.7 Hạn chế của CDMA 78

3.1.13 Đánh giá tác động môi trường : 80

3.2 Thiết kế hệ thống mạng truy cập và chuyển mạch: 80

3.2.1 Nhiệm vụ thiết kế 80

3.2.2 Các yêu cầu đối với hệ thống 80

3.2.3 Giải pháp thiết kế hệ thống 84

3.2.3 Tính toán cấu hình BTS 97

3.2.4 Tính toán cấu hình BSC 99

3.2.5 Tính toán cấu hình MSC 99

3.2.6 Phương án tổ chức kết nối 103

3.3 Hệ thống mạng viễn thông di động của EVNTelecom 105

3.3.1 Mạng Lõi 106

3.3.1.1 Trung tâm chuyển mạch MSC 106

3.3.1.2 Bộ đăng kí vị trí tạm trú VLR 107

3.3.1.3 Bộ đăng kí định vị thường trú HLR/AC 108

3.3.1.4 Điểm chuyển mạch dịch vụ SSP 108

3.3.1.5 Điểm điều khiển dịch vụ SCP 108

3.3.1.6 Cổng MSC (GMSC) 109

3.3.1.7 Khối điều khiển dữ liệu gói BSS/PCF 109

3.3.1.8 Khối quản lý thuê bao - Bộ xử lý ứng dụng (MM-AP) 109

3.3.2 Mạng truy cập vô tuyến – RAN 110

3.3.2.1 BTS 110

3.3.2.2 BSC 112

3.3.3 Nút phục vụ số liệu gói - PDSN ( Packet Data Serving Node ): 113

3.3.3.1 Các chức năng chung của phần PDSN: 113

3.3.3.2 Chức năng của Home Agent 114

3.3.3.3 Chức năng của PDSN Gateway/Foreign Agent (FA) 114

3.3.3.4 AAA Server 115

3.3.3.5 Firewall 115

3.3.3.6 BGP Router 116

3.3.4 Quản lý mạng 118

3.3.4.1 Mô tả chung 118

3.3.4.2 Chức năng mạng quản lý 119

III.4 Xu hướng phát triển của EVNTelecom 120

KẾT LUẬN 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

#

2G Second Generation Thế hê thứ 2

A

AAA Authentication,Authorization&

Accounting

Trung tâm nhận thực thuê bao

AMTS Advanced Mobile Telephone

AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực

B

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

BHCA Busy Hour Call Attempt Số cuộc gọi giờ bận

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha hai mức

BSC Base Station Controller Hệ điều khiển các trạm gốc

BSM Base Station Management Bộ quản lý các BSC

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CAN Central ATM Network Mạng chuyển mạch ATM trung

tâm CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT Conference of European Postal

and Telecommunication

Administrations

Hội nghị các cơ quan quản lý Viễn thông và Bưu chính châu Âu

CIR Carrier Interference Rate Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

CRC Circle Rendundency Check Kiểm tra chất lượng của khung

CS Control Subsystem Phân hệ điều khiển

CSBS Customer Care Service and Trung tâm tính cước và chăm sóc

DCS Digital Communications System Hệ thống thông tin số

DECT Digital Enhanced Cordless

EIP External Interface Processor Bộ xử lý giao tiếp bên ngoài

EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị

ERP Effective Radiated Power Công suất bức xạ hiệu dụng của

anten ETSI Eutopean Telecommunication

Standardisation Institute

Viện chuẩn hoá viễn thông Châu

Âu EV-DO Evolution Data only Dịch vụ tốc độ cao

EV-DV Evolution Data & Voice Dịch vụ tốc độ cao và thoại

F

FA Frequency Allocation Tần số sử dụng

FAF Floor Attennuation Factor Hệ số suy hao tầng

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

số FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FER Frame Erace Rate Tỷ lệ mất khung

FH-SS Frequency Hooping Spread

GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung

GSM Global System of Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

H

HLR Home Location Register Khối đăng ký định vị thuê bao

I

ISDN Intergrated Services Digital

Network

Mạng số liên kết đa dịch vụ

IP Intelligent Perphery Thiết bị ngoại vi

IS Inter Working Subsystem Phân hệ chuyển mạch mạng

IWF Inter Working Function Chức năng liên kết mạng

Hệ thống điện thoại di động cải tiến

IN Intelligent Network Mạng thông minh

IP Internet Protocol Giao thức internet

IS-95 Interim Standard-95 Tiêu chuẩn thông tin di động

CDMA do Qualcomm đề xuất IS-54 Interim Standard-54 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA do AT&T đề xuất IS-136 Interim Standard-136 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA cải tiến do AT&T đề xuất ISDN Integrated Service Digital

MEAS Measure Đo lường

PCF Packet Control Function Chức năng điều khiển gói

PCS Personal Commucation System Hệ thống thông tin cá nhân PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

PDSN Packet Data Switch Node Nút chuyển mạch gói

PN Pseudo Noise Dãy tạp âm giả ngẫu nhiên PPP Point-to-Point Protocol Giao thức điểm - điểm

PSN Packet Switched Network Mạng chuyển mạch gói

PSTN Public Switched Telephone

Bản tin đo công suất

PHS Personal Handy Phone System Hệ thống điện thoại cầm tay cá

nhân PPS Prepaid Service Hệ thống trả tiền trước

PSPDN Packet Switched Public Data

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa chuyển pha cầu

phương

R

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

S

SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SCH Synchronous Channel Kênh đồng bộ

SCP Service Control Point Điểm điều khiển dịch vụ

SMS Short Message Services Dịch vụ bản tin ngắn

SMSC Short Message Services Center Trung tâm dịch vụ bản tin ngắn SS7 Signaling System 7 Hệ thống báo hiệu số 7

SS-F Subsystem IWF Phân hệ giao tiếp với IWF

SS-ST Subsystem –Subscriber Trunk Phân hệ giao tiếp trung kế và thuê

bao SS-T Subsystem Trunk Phân hệ giao tiếp trung kế

SS-V Subsystem VMS Phân hệ giao tiếp VMS

STP Signalling Transfer Part Phần truyền báo hiệu

T

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian TIA Telecommunication Industry

UMTS Universal Mobile

VAS Value Added Service Dịch vụ giá trị gia tăng

VLR Visitor Location Register Bộ định vị tạm trú

VMS Voice Message System Hệ thống hộp thư thoại

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh dung lượng thoại giữa các công nghệ 10

Bảng 1.2: So sánh tốc độ dữ liệu giữa các công nghệ 10

Bảng 1.3: Bảng phân bổ tần số cho mẫu 4/12 với 40 tần số 12

Bảng 1.4: Các đặc tính của các dãy có chu kỳ 2m - 1 44

Bảng 3.1: Dân số và mật độ dân số năm 2006 phân theo địa phương 58

Bảng 3.2: Phân bổ dân cư Thành thị - Nông thôn 60

Bảng 3.3: Tháp dân số Việt Nam 61

Bảng 3.4: Số lượng tổng thuê bao điện thoại toàn quốc theo từng năm 61

Bảng 3.5: Số liệu thống kê GDP trên đầu người và dự báo tốc độ tăng trưởng GDP61 Bảng 3.6: Dự báo tốc độ gia tăng dân số của Việt Nam 62

Bảng 3.7: Kết quả dự báo thuê bao theo phương pháp nội suy 66

Bảng 3.8: Kết quả dự báo thuê bao theo phương pháp ngoại suy 67

Bảng 3.9: Dự báo thuê bao cho từng tỉnh 68

Bảng 3.10: Tổng hợp số lượng trạm cần đầu tư và thuê bao dự kiến cho các tỉnh khu vực đồng bằng miền Bắc 74

Bảng 3.11: Các tham số hệ thống 85

Bảng 3.12: Các tham số thiết kế 85

Bảng 3.13: Phân phối tốc độ dữ liệu 86

Bảng 3.14: Phổ tần hoạt động 87

Bảng 3.15: Các yêu cầu và giả thiết đối với vùng phủ sóng 87

Bảng 3.16: Suy hao cáp Feeder 88

Bảng 3.17: Tỷ số Eb/Nt đối với các bộ giải điều chế khác nhau 88

Bảng 3.18: Công suất phát cực đại của các kênh 89

Bảng 3.19: Bán kính phủ sóng đối với các khu vực khác nhau 93

Bảng 3.20: Các số liệu đầu vào 94

Bảng 3.21: Tính toán cấu hình cho BTS 98

Bảng 3.22: Tính toán dung lượng trung kế và báo hiệu đi các hướng 101

Bảng 3.23: Tính toán báo hiệu tới các MSC khác 102

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động 1

Hình 1.2: Cấu trúc mạng thông tin di động số 2

Hình 1.3: Lộ trình phát triển từ 2G tới 3G 8

Hình 1.4: Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 11

Hình 1.5: Sơ đồ phát/thu CDMA 17

Hình 1.6: Các quá trình phân tập trong CDMA 19

Hình 1.7: So sánh chuyển vùng mềm và chuyển vùng cứng 19

Hình 1.8: Điều khiển công suất trong CDMA 22

Hình 1.9: Đường kết nối trong khi chuyển vùng mềm 24

Hình 1.10: Giao thoa từ BTS bên cạnh 27

Hình 1.11: Phương pháp trải phổ trực tiếp DS 32

Hình 1.12: Sơ đồ khối của máy phát DS/SS-BPSK 33

Hình 1.13: Sơ đồ khối của máy thu DS/SS-BPSK 34

Hình 1.14: PSD của bản tin, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS - BPSK 35

Hình 1.15: Các dạng sóng ở hệ thống DS/SS-QPSK 38

Hình 1.16: Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DS/SS-QPSK 39

Hình 1.17:Bộ tạo dãy m 41

Hình 1.18 Hàm tự động tương quan tiêu chuẩn của dãy m 42

Hình 1.19 Mật độ phổ công suất của dãy m 43

Hình 1.20: Bộ tạo dãy Gold 44

Hình 2.1 : Kiến trúc mạng CDMA 2000 1X 45

Hình 2.2: Cấu trúc địa lý của mạng CDMA 2000 1X 49

Hình 2.3: Mô hình đường truyền (COST 231) 54

Hình 3.1: Quy hoạch băng tần 57

Hình 3.2: Tháp dân số Việt Nam 61

Hình 3.3: Dự báo tốc độ gia tăng dân số 62

Hình 3.4: Dự báo tỷ lệ sử dụng dịch vụ không dây 63

Hình 3.5: Dự báo tỷ lệ sử dụng số liệu không dây so với tổng lượng thuê bao 63

Hình 3.6: Giản đồ dự báo 65

Hình 3.7: Biểu đồ dự báo thuê bao theo phương pháp nội suy 67

Hình 3.8: Biểu đồ dự báo thuê bao theo phương pháp ngoại suy 68

Hình 3.9: Hiện trạng vùng phủ sóng các tỉnh miền Bắc 72

Hình 3.10: Công suất trạm di động đường lên 72

Hình 3.11: Các thế hệ công nghệ 75

Hình 3.12: Hướng phát triển của các công nghệ 75

Hình 3.13: Sự phát triển thuê bao các công nghệ 77

Hình 3.14: Bản đồ địa hình khu vực Miền Bắc - Vệ tinh EarthSate 95

Hình 3.15: Phân bổ BTS khu vực Miền Bắc 96

Hình 3.16: Bản đồ phủ sóng sau thiết kế khu vực Miền Bắc 96

Hình 3.17: Công suất trạm di động đường lên 97

Hình 3.18: Phổ tần của sóng mang 97

Hình 3.19: Phương án tổ chức mạng Tổng đài 103

Hình 3.20: Phương án kế nối tổng thể sang VNPT 104

Hình 3.21: Phương án kết nối tổng thể sang các doanh nghiệp khách 104

Hình 3.22: Kiến trúc hệ thống mạng của EVNTelecom 105

Hình 3.23: Khối quản lý thuê bao – Bộ xử lý ứng dụng 109

Hình 3.24: Sơ đồ khối mạng quản lý 119

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ của sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin

di động đóng vai trò rất quan trọng Trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc

nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người có thể nắm bắt nhanh chóng các thông tin văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Các thành tựu công nghệ Điện Tử – Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút Cùng với nhiều công nghệ khác nhau, thông tin di động đã và đang phát triển nhanh theo nhu cầu dịch vụ của người dùng ngày càng phát triển hết sức đa dạng cả về các loại hình dịch vụ cũng như tốc độ và chất lượng dịch vụ Các chuẩn công nghệ thông tin di động 3G (các tiêu chuẩn IMT-2000) ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu về khả năng truy xuất thông tin mọi lúc mọi nơi tức là kết hợp khả năng di động (trong các hệ thống thông tin di động 2G truyền thống) và khả năng truy cập thông tin (Internet) với những loại hình dịch vụ rất đa dạng

Hiện nay, ở nước ta mạng GSM do ba nhà khai thác Vinaphone, Mobifone

và Viettel đang phát triển mạnh mẽ với nhiều loại hình dịch vụ phong phú Số lượng thuê bao đang gia tăng, đồng thời một số dịch vụ mới phát triển đòi hỏi tốc

độ truyền số liệu cao, cần phải có băng thông rộng và chất lượng dịch vụ tốt Đó

là một bài toán đang đặt ra đối với các nhà khai thác phải nâng cấp, mở rộng mạng và tìm ra một phương án thông tin di động số mới Để tìm kiếm hệ thống thông tin di động số mới người ta nghiên cứu công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên cơ sở trải phổ (CDMA) Mạng thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA của Sài Gòn Postel, EVNTelecom và HanoiTelecom là một trong những

giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề trên Việc nghiên cứu, thiết kế, tính toán

và ứng dụng công nghệ CDMA 2000 1X trong hệ thống mạng viễn thông di động

là yêu cầu cần thiết trước khi triền khai mạng để đảm bảo việc phủ sóng, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, cũng như sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên

vô tuyến

Được sự hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS Vũ Quý Điềm cùng với những kiến thức thực tế có được trong quá trình làm việc tại EVNTelecom, em đã đi sâu

tìm hiểu về vấn đề “Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và triển khai công nghệ

CDMA 2000 1X trong hệ thống mạng viễn thông di động của EVNTelecom”

Đến nay em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với 3 chương, nội dung các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động

Chương 2: Hệ thống mạng thông tin di động CDMA 2000 1X

Chương 3: Thiết kế, tính toán, và triển khai công nghệ CDMA 2000 1X

trong hệ thống mạng của EVNTelecom

Do nội dung đề tài là tương đối rộng, bao gồm nhiều kiến thức mới mẻ, thời gian và kiến thức còn hạn chế việc nghiên cứu mới chỉ đưa ra và giải quyết được một số vấn đề chính của một bài toán thiết kế hệ thống mạng di động nói chung

và mạng CDMA 2000 1X nói riêng Nội dung luận văn không thể tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận được đóng góp ý kiến và chỉ bảo của các thầy

cô giáo và các bạn để bản đề tài này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS Vũ Quý Điềm đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu Em xin cảm ơn thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Mạng thông tin di động số Cellular

1.1.1 Hệ thống thông tin điện thoại di động

Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellular được chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, có dạng một tổ ong hình lục giác Trong mỗi cell có một trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các máy thuê bao di động MS (Mobile Station) 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 vùng phủ sóng mà không làm gián đoạn cuộc gọi

Hình 1.1 đưa ra 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

Hình 1.1: Hệ thống điện thoại di động

Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong thì tần số mà các máy di động

sử dụng là không cố định ở một kênh nào đó mà kênh đàm thoại được xác định

nhờ kênh báo hiệu và máy di động được đồng bộ về tần số một cách tự động

Vì vậy các ô kề nhau sử dụng tần số khác nhau còn các ô ở cách xa hơn một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một tần số đó Để cho phép các máy di động có thể duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài sẽ điều khiển các kênh báo hiệu hoặc kênh lưu lượng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số của máy di động đó thành một tần số thích hợp một cách tự động

Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tăng lên vì các kênh RF giữa các BTS kề nhau có thể được định vị một cách có hiệu quả nhờ việc tái sử dụng tần số và do đó dung lượng thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên

1.1.2 Cấu trúc mạng thông tin số Cellular

Hình 1.2: Cấu trúc mạng thông tin di động số

NSS: Network Switching Subsystem: Hệ thống chuyển mạch

MSC: Mobile Service Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động

HLR: Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú

VLR: Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú

AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực

EIR: Equipment Indentification Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

Truyền dẫn báo hiệu

BSS: Base Station System: Hệ thống trạm gốc

BSC: Base Station Controller: Đài điều khiển trạm gốc

BTS: Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc

OSS: Operation & Support Station: Hệ thống con khai thác và bảo dưỡng NMC: Network Management Centre: Trung tâm quản lý mạng

PSTN: Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: Mạng di động mặt đất

ISDN: Integrated Switched Digital Network: Mạng số liên kết đa dịch vụ CSPDN: Circuit Switched Public Data Network: Mạng dữ liệu công cộng chuyển mạch kênh

PSPDN: Packet Switched Public Data Network: Mạng dữ liệu công cộng chuyển mạch gói

MS: Mobile Station: Trạm di động

Hệ thống khai thác và bảo dưỡng OSS mặc dù không thuộc thành phần của mạng thông tin di động nhưng nó liên quan chặt chẽ với mạng đó là trạm di động MS thuộc người sử dụng

Trong mỗi một BSS có một bộ điều khiển trạm gốc BSC điều khiển một nhóm BTS về các chức năng như chuyển giao và điều khiển công suất

Trong mỗi SS, một trung tâm chuyển mạch của PLMN, gọi tắt là tổng đài

di động MSC phục vụ nhiều BSC hình thành cấp quản lý vùng lãnh thổ gọi là vùng phục vụ MSC bao gồm nhiều vùng định vị

Do yêu cầu quản lý về nhiều mặt đối với MS của mạng di động Cellular dẫn đến cơ sở dữ liệu lớn Bộ ghi định vị thường trú HLR chứa các thông tin về thuê bao như các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn và các thông số nhận thực Vị trí hiện thời của MS được cập nhật qua bộ ghi định vị tam trú VLR cũng được chuyển đến HLR

Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã

Mỗi MSC có một VLR Khi MS di động vào một vùng phục vụ MSC mới thì VLR yêu cầu HLR cung cấp các số liệu về MS này đồng thời VLR cũng thông báo cho HLR biết MS nói trên đang ở vùng phục vụ nào VLR có đầy đủ các thông tin để thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu của người sử dụng Một MSC đặc biệt (gọi là MSC cổng) được PLMN giao cho chức năng kết nối giữa PLMN với các mạng cố định

1.1.3 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

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

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 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 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

Thế hệ ba bắt đầu từ những năm sau thập kỷ chín mươi là kỹ thuật số với CDMA và TDMA cải tiến

1.1.4 Các phương pháp truy cập trong mạng thông tin di động số

Ở giao diện vô tuyến MS và BTS liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến Do tài nguyên về tần số có hạn mà số lượng thuê bao lại không ngừng tăng lên nên ngoài việc sử dụng lại tần số, trong mỗi cell số kênh tần số được dùng chung theo kiểu trung kế

Hệ thống trung kế vô tuyến là hệ thống vô tuyến có số kênh sẵn sàng phục

vụ ít hơn số người dùng khả dĩ Xử lí trung kế cho phép tất cả người dùng sử dụng chung một cách trật tự số kênh có hạn vì chúng ta biết chắc rằng xác suất mọi thuê bao cùng lúc cần kênh là thấp Phương thức để sử dụng chung các kênh gọi là đa truy nhập

Hiện nay, người ta sử dụng 5 phương pháp truy cập kênh vật lý:

+ FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số Phục vụ các cuộc gọi theo các kênh tần số khác nhau

+ TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian Phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

+ CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã Phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

+ PDMA: Đa truy cập phân chia theo cực tính Phục vụ các cuộc gọi theo các sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến

+ SDMA: Đa truy cập phân chia theo không gian Phục vụ các cuộc gọi theo các các anten định hướng búp sóng hẹp

1.2 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động tế bào CDMA

Vô tuyến di động đã được sử dụng gần 78 năm Mặc dù các khái niệm tổ ong, các kỹ thuật trải phổ, điều chế số và các công nghệ vô tuyến hiện đại khác

đã được biết đến hơn 50 trước đây, nhưng dịch vụ điện thoại di động mãi đến đầu những năm 1960 mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào

những năm 1980 Cuối những năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống

tổ ong tương tự 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:

- 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 nhiều tia

- 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 đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau làm cho thuê bao

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang từ sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật truy nhập mới Thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được

ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến Hội nghị các cơ quan quản lý Viễn thông và Bưu chính châu Âu (CEPT) để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu

ở băng tần 900 MHz Năm 1985 hệ thống số được quyết định Tháng 5 năm

1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn Tháng 3 năm 1993 mạng thông tin di động số GSM đầu tiên đã được triển khai ở Việt Nam

Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề về dung lượng đã phát sinh ở các thị trường di động chính như: New York, Los Angeles và Chicago Mỹ đã đưa ra chiến lược đó là nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: chuyển tới hệ thống TDMA được ký hiệu là IS- 54 Việc khảo sát khách hàng cho thấy chất lượng của AMPS tốt hơn Rất nhiều hãng của Mỹ lạnh nhạt với TDMA, AT

&T là hãng lớn duy nhất sử dụng TDMA Hãng này đã phát triển ra một phiên bản mới: IS - 136, còn được gọi là AMPS số (D-AMPS) Nhưng không giống

như IS - 54, GSM đã đạt được các thành công ở Mỹ Sự ra đời của thông tin di động số GSM đã tạo nên bước ngoặt lớn, đem tới cho con người những lợi ích không thể phủ nhận được về thời gian, chi phí, tính tiện dụng Trên thế giới, GSM chiếm 70% số thuê bao di động, 30% còn lại chia sẻ bởi các công nghệ TDMA khác như IS-95 (CDMA), D-AMPS, IS96, PDC

Tuy nhiên, khi nhu cầu về thông tin di động của con người ngày càng tăng, ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ, chất lượng, loại hình, chi phí thì GSM đã bộc lộ những nhược điểm không thể đáp ứng được các yêu cầu này Trước tình hình đó, xu thế tất yếu của thông tin di động là phải phát triển công nghệ mới, khắc phục nhược điểm của thông tin di động thế hệ 2, đem lại những dịch vụ di động cao cấp hơn, đưa thông tin di động phát triển lên một tầm cao mới - đó là thông tin di động thế hệ 3 mà đại diện là công nghệ CDMA 2000 Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa truy 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, Qualcomm đã phát phiển 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, Qualcomm đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS-95A, sau này là phiên bản IS-95B được phát triển để đáp ứng các dịch vụ ISDN cho di động Các hệ thống sử dụng tiêu chuẩn IS-95 được gọi là cdmaOne Hệ thống thông tin di động CDMA IS-95 được xây dựng trên lý thuyết trải phổ, lý thuyết này đã trở thành động lực phát triển cho nhiều ngành công nghiệp vô tuyến như thông tin cá nhân, thông tin đa truy nhập thuê bao vô tuyến ở mạng nội hạt, thông tin vệ tinh, đo vệ tinh, định vị toàn cầu, ra đa xung Chính hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần cao và khả năng truy nhập làm cho công nghệ CDMA trở thành công nghệ hàng đầu trong việc giảm nhẹ tắc nghẽn gây ra do sự bùng nổ các mạng điện thoại vô tuyến di động

Công nghệ CDMA 2000 mới được phát triển trong những năm gần đây và cũng được khá nhiều nhà khai thác lựa chọn với những ưu điểm như: dung lượng mạng lớn, tính năng cải thiện chất lượng thoại, dễ dàng phát triển mạng

và khả năng truyền số liệu tốc độ cao, đáp ứng được các dịch vụ tiên tiến sử dụng băng thông rộng như truyền số liệu tốc độ cao, multimedia Đại diện cho thế hệ thông tin di động thứ 3 theo chuẩn CDMA là công nghệ CDMA

2000, CDMA 2000 có đến ba phiên bản: CDMA 2000 1X, CDMA 2000

1xEV-DO và CDMA 2000 1xEV-DV Công nghệ CDMA 2000 1X dành cho thoại và

dữ liệu, hoạt động trên kênh CDMA 1,25 MHz chuẩn, cho phép truyền dữ liệu đạt 307kbps CDMA 2000 1xEV-DO là phiên bản cao hơn, tối ưu cho những dịch vụ dữ liệu dung lượng lớn và tốc độ cao dựa trên công nghệ CDMA High Data Rate (tốc độ tối đa vượt 2 Mbps) Còn CDMA 2000 1xEV-DV đạt tốc độ truyền vượt 10 Mbps Tuy nhiên công nghệ này cũng có hạn chế là hiện nay số lượng nhà khai thác sử dụng công nghệ CDMA 2000 còn ít nên vấn đề roaming quốc tế gặp khó khăn

IS-95A

WCDMA

EDGE EGPRS

GPRS GSM

CDMA2000 (3x)

CDMA2000 (1x EV-DV)

CDMA2000 (1x EV-DO)

CDMA2000 (1x) IS-95B

All IP

14.4 kbps 64 kbps 144 kbps

Max.307 kbps

Trong tiến trình phát triển lên công nghệ không dây thế hệ tiếp theo (3G) nổi lên hai hướng phát triển theo hai tiêu chuẩn chính đã được ITU-T công nhận đó là CDMA 2000 và W-CDMA

Châu Âu thì đi theo hướng: GSM > GPRS > EDGE > W-CDMA Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng: IS-95A > IS-95B > CDMA 2000 mà bước đầu là CDMA 2000 1X

Riêng Nhật Bản thì họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả hai hướng W-CDMA (NTT Docomo, J-Phone) và CDMA 2000 (KDDI)

Ở Việt Nam CDMA 2000 đã được triển khai thương mại với nhà cung cấp dịch vụ đầu tiên là S-Fone, mạng 095 của S-Fone hiện đang triển khai CDMA

2000 1X, tức chỉ là giai đoạn đầu của một hệ thống 3G hoàn chỉnh S-Fone cũng cho biết sẽ tiến hành nâng cấp mạng CDMA 2000 1X lên công nghệ thế

hệ ba (3G) CDMA 2000 1X EV-DO để người khách hàng Việt Nam sớm được tận hưởng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp trên nền băng thông rộng như dịch vụ xem video theo yêu cầu Và gần đây nhất là mạng 096 của EVNTelecom và mạng 092 của Hanoi Telecom Mạng 096 của EVNTelecom

đã đi vào hoạt động sử dụng công nghệ CDMA 2000 1X EV-DO tại một số thành phố lớn Mạng 092 của Hanoi Telecom cũng đang tích cực triển khai mạng của mình

1.3 Ưu điểm của công nghệ CDMA

Công nghệ CDMA đã thực sự mang lại cho nhà khai thác cũng như thuê bao rất nhiều lợi ích như:

- Dung lượng hệ thống CDMA gấp 8  10 lần so với hệ thống AMPS và 4

 5 lần hệ thống GSM

- Chất lượng cuộc gọi được nâng cao

- Thiết kế hệ thống đơn giản hoá do việc sử dụng cùng một dải tần số ở mọi ô

- Nâng cao sự bảo mật thông tin

- Đặc tính phủ sóng được cải thiện, nâng cao phạm vi phủ sóng

- Tăng thời gian đàm thoại cho máy đầu cuối

- Dải thông được cung cấp tuỳ theo yêu cầu sử dụng

1.3.1 Tăng dung lượng hệ thống

Với dải tần là 10MHz thì W-CDMA chỉ có 2 sóng mang/sector (mỗi sóng mang là 5MHz), còn CDMA 2000 có tới 7 sóng mang/sector (mỗi sóng mang

là 1,25MHz) Như vậy với 62 kênh lưu lượng TCH/sóng mang thì W-CDMA

có tối đa 124TCH/sector còn CDMA 2000 1X có tới 266TCH/sector

Nguồn: Qualcomm

Bảng 1.1: So sánh dung lượng thoại giữa các công nghệ

Bảng 1.2: So sánh tốc độ dữ liệu giữa các công nghệ

2000 1X

CDMA 2000 1xEV-DO

Lưu lượng trung

Mẫu tái sử dụng

Qua bảng trên ta thấy dung lượng số liệu của CDMA 2000 1X và

1xEV-DO lớn hơn rất nhiều so với các công nghệ trên nền GSM khác như GPRS, EDGE và thậm chí cả W-CDMA Nhờ khả năng truyền số liệu tốc độ cao mà CDMA 2000 có thể đưa ra một mức giá dịch vụ truyền số liệu rất cạnh tranh

1.3.1.1 Tái sử dụng tần số

Nguyên tắc cơ bản của thông tin di động số chia ô là sử dụng lại nhiều lần một tần số ở mỗi vùng địa lý nhất định Giải pháp này cho phép dung lượng

mạng lớn hơn nhiều so với cách truyền thống là phủ sóng một vùng lớn chỉ với một site

Với công nghệ GSM, việc sử dụng lại tần số là một vấn đề hết sức quan trọng, ảnh hướng rất lớn đến dung lượng cũng như chất lượng mạng Cả băng tần được chia thành một số tần số song công nào đó, các tần số này lại được chia thành các nhóm tần số, mỗi nhóm được sử dụng cho một vùng nào đó gồm nhiều trạm BTS Cùng nhóm tần số này có thể đem sử dụng cho vùng bên cạnh

mà không gây hiện tượng giao thoa đồng kênh, miễn là khoảng cách giữa hai BTS cùng sử dụng một tần số đủ lớn Các mẫu sử dụng lại tần số trong GSM là 3/9, 4/12, 7/21 Với mẫu 4/12, các tần số được chia làm 12 nhóm với 4 BTS, mỗi BTS có 3 ô Mẫu này áp dụng cho những vùng có mật độ trung bình, ít nhà cao tầng nên rất phù hợp và được ứng dụng trong các mạng GSM ở Việt Nam Nếu mỗi nhà khai thác có 40 tần số thì được 4 ô có tối đa 4 tần số và 8 ô còn lại

có tối đa 3 tần số Như vậy, mỗi sector chỉ được phép sử dụng một vài tần số xác định, do đó dung lượng của mạng GSM bị giới hạn rất nhiều

Hình 1.4: Mẫu sử dụng lại tần số 4/12

Bảng 1.3: Bảng phân bổ tần số cho mẫu 4/12 với 40 tần số

1.3.1.2 Giảm tỷ số E b /N 0

Các hệ thống số chia ô đều sử dụng mã sửa lỗi Các hệ thống điều chế băng hẹp thường sử dụng các phương thức ít phức tạp hơn để tốn ít dải băng tần hơn Do đó, để giữ chất lượng âm thanh tốt thì nhà khai thác phải cần một

tỷ số Eb/N0 cao (năng lượng bít/công suất nhiễu), dẫn tới họ phải giới hạn số lượng người sử dụng trên hệ thống nên làm hạn chế dung lượng

Trong khi đó, CDMA sử dụng phương pháp mã hoá sửa lỗi tiên tiến nên yêu cầu tỷ số Eb/N0 không cao Việc sử dụng tỷ số Eb/N0 thấp hơn để đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng thoại khiến cho hệ thống CDMA có dung lượng lớn hơn, cần ít công suất truyền tải hơn so với các hệ thống băng hẹp

1.3.1.3 Mã hoá tốc độ biến đổi

Sự phát hiện ra tính linh động của thoại là một thay đổi khác giúp tăng dung lượng hệ thống CDMA IS-95 CDMA đã lợi dụng tính linh động của thoại bằng cách sử dụng các bộ mã hoá có tốc độ biến đổi

Trong một cuộc nói chuyện qua điện thoại, một người chỉ thực sự nói trong khoảng 35% thời gian cuộc gọi 65% còn lại là nghe người kia nói hoặc

là thời gian im lặng nếu như người kia không nói Nguyên tắc của bộ mã hoá có tốc độ biến đổi là nó chỉ hoạt động ở tốc độ cao và cung cấp chất lượng thoại

tốt nhất khi có sự hoạt động của tiếng nói Khi không phát hiện thấy tiếng nói thì bộ mã hoá sẽ hạ thấp tốc độ mã hoá vì không có lý do gì phải mã hoá sự im lặng ở tốc độ cao Khi đó, tốc độ mã hoá có thể giảm xuống đến 4 hoặc 2 hoặc 1Kbps Bởi vậy, bộ mã hoá có tốc độ biến đổi chỉ sử dụng hết dung lượng kênh khi thực sự cần thiết Vì mức nhiễu giao thoa do tất cả những người sử dụng gây ra trực tiếp quyết định dung lượng của hệ thống và sự phát hiện ra tính linh động của thoại đã làm giảm mức nhiễu trong hệ thống nên dung lượng có thể đạt tới giá trị cực đại

1.3.1.4 Điều khiển công suất

Một yếu tố then chốt quan trọng để nâng cao dung lượng của CDMA là điều khiển công suất Mục đích thiết kế chủ yếu của một hệ thống CDMA là để tất cả những người sử dụng cùng nhận được một mức công suất như nhau từ trạm gốc và để mức công suất này càng thấp càng tốt trong khi vẫn duy trì được cuộc gọi có chất lượng cao Bất kỳ một công suất nào lớn hơn nhu cầu sẽ chỉ làm tăng thêm mức nhiễu toàn bộ trên kênh CDMA một cách không cần thiết

và sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống Bởi vậy, việc điều khiển công suất càng chính xác thì dung lượng càng lớn

Trong CDMA, trạm gốc liên lạc với trạm di động MS, chỉ dẫn cho trạm

di động điều chỉnh tăng giảm công suất Trạm di động chỉ truyền đủ công suất

để duy trì đường nối, do vậy công suất truyền dẫn trung bình của CDMA thấp hơn nhiều so với công suất truyền dẫn của hệ thống tương tự Ô liên tục đo đạc tín hiệu nhận được từ máy di động và so sánh với mức công suất thiết kế và sau

đó quyết định sẽ tăng hay giảm công suất truyền dẫn của một mobile xác định Công việc này được tiến hành cứ mỗi 1,25ms một lần, tức 800lần/1 giây CDMA điều chỉnh mức công suất lên xuống theo 84 mức của 1dB Phương thức này bảo đảm rằng cho dù mobile có ở gần hay xa ô thì mỗi mobile vẫn nhận được một mức công suất như nhau.

1.3.2 Nâng cao chất lượng cuộc gọi

Các hệ thống điện thoại cellular sử dụng công nghệ CDMA cung cấp âm thanh có chất lượng cao hơn và ít xảy ra rớt cuộc gọi hơn các hệ thống hoạt động hoạt động dựa trên những công nghệ khác Có nhiều đặc tính tồn tại trong

hệ thống CDMA đã tạo ra khả năng đó như:

- Các phương pháp sửa lỗi tiên tiến làm tăng khả năng chính xác cho các khung nhận được

- Các bộ mã hoá tinh vi cho phép mã hoá tốc độ cao và giảm tạp âm nền

- CDMA sử dụng ưu điểm của nhiều loại phân tập khác nhau để nâng cao chất lượng thoại như:

+ Phân tập tần số (bảo vệ khỏi fađing chọn lọc tần số)

+ Phân tập không gian (dùng 2 anten nhận)

+ Phân tập đường truyền (sử dụng bộ thu Rake để khắc phục sự thu nhận một tín hiệu qua nhiều đường gây ra “nhiễu giao thoa” và thậm chí còn nâng cao chất lượng âm thanh)

+ Phân tập thời gian (dùng cài xen và mã hoá)

- Thực hiện chuyển giao mềm để góp phần làm tăng chất lượng thoại bằng cách cung cấp một kết nối “make before break” Quá trình chuyển giao mềm hơn giữa các sector của cùng 1 cell cũng cung cấp những lợi ích tương tự

- Điều khiển công suất chính xác, bảo đảm cho tất cả các mobile đều có mức công suất gần bằng mức công suất tối ưu để có thể đạt được một chất lượng thoại tốt nhất

1.3.3 Quá trình thiết kế được đơn giản hoá

Tất cả thuê bao sử dụng chung một sóng mang CDMA, cùng chia sẻ một phổ tần số với nhau Hệ số sử dụng lại tần số bằng 1 là một yếu tố quan trọng

đã làm cho dung lượng của CDMA lớn hơn nhiều AMPS và các công nghệ khác, đồng thời nó còn làm cho việc thiết kế hệ thống đơn giản, dễ hiểu hơn Nhà khai thác sẽ không phải lập kế hoạch sử dụng tần số - một công việc hết

sức phức tạp trong hệ thống tương tự và TDMA Quan trọng hơn, kể cả việc điều chỉnh lại tần số để mở rộng cũng được loại bỏ Nếu nhà khai thác muốn thêm một cell hay một kênh mới thì không cần phải thiết lập lại toàn bộ tần số của hệ thống

1.3.4 Nâng cao tính bảo mật thông tin

Thông tin trong CDMA được bảo mật rất cao, việc xâm nhập bất hợp pháp vào tín hiệu CDMA là cực kỳ khó Đó là vì các khung thông tin đã số hoá được trải phổ trên một nền phổ rộng Hơn thế nữa, trong tương lai CDMA có các kế hoạch mã hoá số mới để tạo ra các mức bảo mật và an toàn hơn nhiều

1.3.5 Cải thiện vùng phủ sóng

Một cell CDMA có vùng phủ sóng lớn hơn nhiều so với cell tương tự hay số khác vì CDMA sử dụng thiết bị thu có độ nhạy lớn hơn các kỹ thuật khác Do đó, để phủ sóng cùng một vùng địa lý như nhau thì số cell CDMA phải dùng sẽ ít hơn Tuỳ thuộc vào nhu cầu tải của hệ thống và nhiễu giao thoa

mà việc giảm số cell có thể tới 50% so với GSM

1.3.6 Tăng thời gian sử dụng pin

Do việc điểu khiển công suất chính xác và các đặc tính khác của hệ thống, các máy mobile CDMA thường chỉ truyền công suất bằng một phần nhỏ công suất so với các máy tương tự và TDMA Điều này cho phép các thuê bao tăng thời gian sử dụng pin của máy mobile

1.3.7 Cung cấp dải thông theo yêu cầu

Một kênh CDMA băng rộng cung cấp tài nguyên chung mà tất cả các mobile trong hệ thống cùng dùng chung, tuỳ theo ứng dụng là truyền thoại, dữ liệu, fax hay ứng dụng khác Tại một thời điểm bất kỳ, phần dải thông không được sử dụng bởi mobile này thì có thể được cung cấp cho một mobile khác Điều này làm cho CDMA thực sự linh hoạt và được khai thác để tạo ra các khả năng mạnh hơn như dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Thêm vào đó, vì mobile hoàn toàn độc lập khi sử dụng “bandwidth pool” nên các đặc trưng đó có thể dễ dàng cùng tồn tại trên một kênh CDMA

1.3.8 Vấn đề nâng cấp mạng

Việc nâng cấp mạng GSM (2G) lên GPRS (2,5G) tương đối dễ dàng bằng cách lắp thêm một số thiết bị và nâng cấp phầm mềm nhưng để phát triển lên thế hệ thứ 3 là EDGE hay W-CDMA thì cần phải lắp thêm một hệ thống trạm BTS mới (với EDGE) hay cả một mạng CDMA (với W-CDMA) chạy song song với mạng cũ

Cũng giống như từ GSM nâng cấp lên GPRS, từ IS-95 nâng cấp lên CDMA 2000 1X khá đơn giản Chúng ta chỉ cần lắp thêm một số thiết bị: PDSN, Card BTS và nâng cấp phần mềm Cũng tương tự như vậy khi chúng

ta phát triển mạng lên CDMA 2000 1xEV, chúng ta sẽ chỉ phải lắp thêm các card thu phát mới cho 1xEV và nâng cấp phần mềm hệ thống Như vậy so với việc phát triển GSM > W-CDMA thì việc phát triển từ IS-95 hay CDMA

2000 1X lên CDMA 2000 1xEV đòi hỏi lắp thêm ít thiết bị hơn, đơn giản hơn

mà vẫn tận dụng được cơ sở hạ tầng mạng đã triển khai

1.4 Công nghệ CDMA

1.4.1 Tổng quan

Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcom - Mỹ vào năm 1990

CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi Những người sử dụng nói trên được phân biệt lẫn nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kì

ai Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1,23 MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) 1,2288 MHz Dòng dữ

liệu gốc được mã hoá và điều chế ở tốc độ cắt Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra (mã trải phổ giả ngẫu nhiên, PN Pseudonoise: giả tạp âm) của máy phát

PN Một cắt là phần dữ liệu mã hóa qua cổng XOR

Để nén phổ trở lại dữ liệu gốc thì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được

Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dải tần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén trở lại về phổ của tín hiệu gốc

1.4.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu

- Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhân với sóng mang fo và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128)

- Tín hiệu đã được điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25MHz sau đó phát xạ qua anten

- Ở đầu thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu được từ anten được đưa đến bộ tương quan qua bộ lọc băng thông độ rộng băng 1,25 MHz và số liệu thoại mong muốn được tách ra để tái tạo lại số liệu thoại nhờ sử dụng bộ tách chèn và giải mã

Hình 1.5: Sơ đồ phát/thu CDMA

1.4.3 Các đặc điểm của CDMA

(1) Tính đa dạng của phân tập

Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tổ ong thế hệ đầu tiên thì tính đa đường tạo nên nhiều fading nghiêm trọng Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đường được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập

Nhưng hiện tượng fading xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading

đa đường xảy ra liên tục đó thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập được

Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sửa sai Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu (200 - 300) KHz Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 phương pháp sau:

- Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc nhiều BTS

- Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian

- Đặt nhiều anten tại BTS

Các loại phân tập để nâng cao hoạt động của hệ thống CDMA được chỉ

ra trên hình 1.6 và được tóm tắt như sau:

Hình 1.6: Các quá trình phân tập trong CDMA

+ Phân tập theo thời gian - Chèn mã, tách lỗi và mã sửa sai

+ Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 MHz

+ Phân tập theo khoảng cách (theo đường truyền) - hai cặp anten thu của BTS, bộ thu đa đường và kết nối với nhiều BTS (chuyển vùng mềm)

(a) Chuyển vùng mềm

(b) Chuyển vùng cứng

Hình 1.7: So sánh chuyển vùng mềm và chuyển vùng cứng

Phân tập anten có thể dễ dàng áp dụng đối với hệ thống FDMA và TDMA Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số

có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu Nhưng các phương pháp khác có thể dễ dàng áp dụng chỉ cho hệ thống CDMA

Dải rộng của phân tập theo đường truyền có thể được cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên nhưng hoạt động tốt hơn trong môi trường EMI lớn

Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan, BTS sử dụng 4 bộ tương quan Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét, nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Fading có thể xuất hiện trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu Vì vậy tổng các tín hiệu thu được có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thời trong tất cả các tín hiệu thu được là rất thấp

Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông tin có 2 BTS sao có thể thực hiện được chuyển vùng mềm cho máy

di động

(2) Điều khiển công suất CDMA

Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (từ BTS đến máy di động và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lưu lượng lớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích khác Mục đích của điều khiển công suất phát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di động sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể được thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BTS Khi công suất phát của tất cả các máy di động trong vùng phục vụ được điều khiển như vậy thì tổng công suất thu được tại bộ thu của BTS trở thành công suất thu trung bình của nhiều máy di động

Bộ thu CDMA của BTS chuyển tín hiệu CDMA thu được từ máy di động tương ứng thành thông tin số băng hẹp Trong trường hợp này thì tín hiệu

của các máy di động khác còn lại chỉ như là tín hiệu tạp âm của băng rộng Thủ tục thu hẹp băng được gọi là độ lợi xử lý nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/giao thoa (dB) từ giá trị âm lên đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động được với lỗi bit chấp nhận được

Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tăng số lượng các cuộc gọi đồng thời trong một băng tần cho trước Dung lượng hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được thu bởi BTS

có tỷ số tín hiệu/giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di động

Hoạt động của máy di động sẽ bị giảm chất lượng nếu tín hiệu của các máy di động mà BTS thu được là quá yếu Nếu các tín hiệu của các máy di động đủ khoẻ thì hoạt động của các máy này sẽ được cải thiện nhưng giao thoa đối với các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của các thuê bao khác sẽ bị giảm nếu như dung lượng tối đa không giảm

Việc đóng, mở mạch điều khiển công suất từ máy di động tới BTS và điều khiển công suất từ BTS tới máy di động sử dụng trong hệ thống CDMA được chỉ trên hình 1.8 Mạch mở đường điều khiển công suất từ máy di động tới BTS là chức năng hoạt động cơ bản của máy di động Máy di động điều chỉnh ngay công suất phát theo sự biến đổi công suất thu được từ BTS Máy di động đo mức công suất thu được từ BTS và điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo được Mạch mở đường điều khiển công suất làm cho các tín hiệu phát của tất cả các máy di động được thu với cùng một mức tại BTS BTS cung cấp chức năng mạch mở đường điều khiển công suất qua việc cung cấp cho các máy di động một hằng số định cỡ cho nó Hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ tới yếu tố tải và tạp âm của BTS, độ tăng ích anten và bộ khuếch đại công suất Hằng số này được truyền đi từ BTS tới máy di động như

là một phần của bản tin thông báo

Hình 1.8: Điều khiển công suất trong CDMA

BTS thực hiện chức năng kích hoạt đối với mạch đóng điều khiển công suất từ máy di động tới BTS Khi mạch đóng dẫn đến việc BTS định cỡ công suất mạch mở xác định của máy di động một cách tức thời để máy di động giữ được công suất phát tối ưu

BTS so sánh tín hiệu thu được từ máy di động liên quan với giá trị ngưỡng biến đổi và điều khiển công suất tăng hay giảm sau mỗi khoảng thời gian 1,25 ms cho đến khi đạt kết quả Việc định cỡ giá trị mạch đóng để bù cho giá trị xác định của mạch mở mà mạch mở này bù độ tăng ích chấp nhận được

và suy hao truyền dẫn của các đường đi và đến giữa BTS và máy di động

BTS cung cấp việc điều khiển công suất từ BTS tới máy di động nhờ việc quy định công suất này tương ứng với công suất đo được tại máy di động Mục đích của việc điều khiển này là làm giảm công suất phát của máy di động khi rỗi hoặc ở vị trí tương đối gần BTS, làm cho fading đa đường thấp và giảm hiệu ứng bóng râm hay làm giảm giao thoa đối với các BTS khác Do đó, công suất được cung cấp thêm đối với các vùng thu tín hiệu bị gián đoạn hoặc đối với máy di động ở xa có tỷ lệ lỗi cao

(3) Công suất phát thấp

Việc giảm tỷ số Eb/No (tương ứng với tỷ số tín hiệu/nhiễu) chấp nhận được không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa Việc giảm này nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt

động trong các vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với các hệ thống analog hoặc TDMA có công suất tương tự Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và làm giảm số lượng BTS yêu cầu khi so với các hệ thống khác

Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

là làm giảm công suất phát trung bình Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian Trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi

có fading

(4) Bộ mã - giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi

Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với các tốc độ biến đổi 8 Kb/s Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã - giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BTS và máy di động Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu thoại được mã hoá dùng để truyền tới bộ

mã - giải mã thoại phía thu Bộ mã - giải mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được thành các mẫu tín hiệu thoại

Hai bộ mã - giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là

9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s, 1200 b/s, các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu Thuật toán mã - giải mã thoại chấp nhận CELP (mã dự đoán tuyến tính thực tế), thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là QCELP

Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thính để chọn tốc

độ số liệu Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu thoại vào Do đó, tạp âm nền bị triệt đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lượng cao trong môi trường tạp

âm