Đề tài tìm hiểu tổng quan công nghệ WCDMA

Tìm hiểu tổng quan công nghệ WCDMA

Trang 1

Tìm hiểu tổng quan WCDMA GVHD: Nguyễn Văn Dũng

Sinh viên: Trần Quang Anh

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, em xin tỏ lòng biết ơn đến Thầy Nguyễn Văn Dũng, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu về đề tài này Dù thầy rất bận rộn nhưng vẫn giành thời gian để hướng dẫn, giới thiệu sách tham khảo v.v…Khi em gặp khó khăn,vướng mắt trong quá trình nghiên cứu thầy đã tận tình giúp đỡ em

Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Tôn Đức Thắng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu, tìm hiểu về đồ án mà còn là hành trang quí báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin Và cám ơn những lời động viên, sự giúp đỡ tận tình của các bạn trong lớp 07DD2D

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô, cùng các bạn dồi dào sức khỏe và thành công trong công việc

Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

Tp Hồ Chí Minh, ngày …tháng……năm 2011

Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Văn Dũng

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

Tp Hồ Chí Minh, ngày …tháng……năm 2011

Giảng viên phản biện

Trang 4

Automatic Gain Control

Adaptive Multi-Rate codec

Advanced Mobile Phone System

Association of Radio Industry

Board

Bộ mã hoá đoán tuyến tính được kích thích bởi mã đại số

Bộ điều khiển tăng ích tự động

Bộ mã hoá và giải mã đa tốc độ thích nghi

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến (Mỹ)

Hiệp hội công nghiệp vô tuyến của Nhật Bản

Bit Error Rate

Block Error Rate

Bandwidth on Demand

Binary Phase Shift Keying

Base station identity code

Tốc độ lỗi bit

Tốc độ lỗi Block Băng thông theo yêu cầu Khoá dịch pha nhị phân

Mã nhận dạng trạm gốc

Trang 5

The CDMA Development Group

Code Division Multiple Access

Core Network

Cylic Redundancy Check

Controlling RNC

Nhóm phát triển CDMA Truy nhập phân chia theo mã Mạng lõi

Mã vòng kiểm tra dư thừa

Bộ RNC đang phụ trách điều khiển

Bộ RNC điều khiển trôi

Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

Trang 6

FDMA

FER

Frequency Division Multiple

Access

Frame Error Rate

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Gateway GPRS Support Node

General Packet Radio Service

Global Positioning System

Global System for Mobile

Telecommunication

Nút hỗ trợ cổng GPRS Dịch vụ vô tuyến gói chung

Handover Completion Message

Home Location Registor

High Speed Downlink Packet

IMT- Direct Sequence

Thông tin di động toàn cầu 2000

IMT đa sóng mang

IMT trải phổ chuỗi trực tiếp

Trang 7

IMT- Time Code

IMT – Single Carrier

Giao diện giữa RNC và nút B

Giao diện giữa 2 RNC

Multimedia Messaging Service

Maximum Ratio Cobining

Mobile Service Switching Centre

Thiết bị di động Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện Kết hợp theo tỷ số lớn nhất Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di

Trang 8

Radio Access Mode

Radio Access Technology

Radio Network Controller

Radio Network subsystem

Radio Resoure Control protocol

Radio Resouse Management

Chế độ truy nhập vô tuyến

Công nghệ truy nhập vô tuyến

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

Phân hệ mạng vô tuyến Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến

Thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến

System Frame Number

Serving GPRS Support Node

Soft Handover

Session Initiation Protocol

Signal to Interference Ratio

Short Messaging Service

Signal to Noise Ratio

Site Selection Diversity

Số hiệu khung hệ thống

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ Chuyển giao mềm

Giao thức khởi tạo phiên

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Dịch vụ nhắn tin ngắn

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

Trang 9

Phát phân tập lựa chọn site

Đa truy nhập trải phổ

Time Division Duplex

Time Division Multiple Access

Transmission Power Control

Traffic Reason Handover

Phương thức song công phân chia theo thời gian

Đa truy nhập phân chia theo thời gian Điều khiển công suất phát

Chuyển giao với lý do lưu lượng

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Modul nhận dạng thuê bao UMTS Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Trang 10

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WCDMA 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 IMT-2000 3

1.3 NGUYÊN LÝ CDMA 4

1.3.1 Nguyên lý trải phổ CDMA 4

1.3.2 Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ 5

1.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 6

1.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG WCDMA 7

1.4.1 Các mã trải phổ 7

1.4.2 Phương thức song công 10

1.4.3 Dung lượng mạng 10

1.4.4 Phân tập đa đường- Bộ thu RAKE 11

1.4.5 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến 14

1.5 CẤU TRÚC MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN 15

1.5.1 Các đặc điểm của WCDMA 15

1.5.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WCDMA 17

1.5.3 Cấu trúc mạng WCDMA 18

CHƯƠNG 2 CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 23

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CHUYỂN GIAO TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 23 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA 23

2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao 25

2.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao 26

2.2 CHUYỂN GIAO MỀM (SHO) 28

2.2.1 Chuyển giao mềm 28

2.2.2 Chuyển giao mềm hơn 29

Trang 11

2.2.3 Nguyên lý chuyển giao mềm 30

2.2.4 Các thuật toán của chuyển giao mềm 33

2.2.5 Các đặc điểm của chuyển giao mềm 35

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 38

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 38

3.2 ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN VỀ 39

3.2.1 Thăm dò truy nhập 39

3.2.2 Vòng điều khiển mở 40

3.2.3 Vòng điều khiển khép kín 41

3.2.4 Quá trình thực hiện vòng điều khiển mở và vòng điều khiển khép kín 43

3.3 ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN ĐI 45

KẾT LUẬN 47

PHỤ LỤC 48

CÁC KÊNH UTRA 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Trang 12

LỜI MỞ ĐẦU

Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động được coi như là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng Thành công của con người trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hướng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao 3G

Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động Kết quả là một sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000) IMT-2000 không chỉ là một

bộ dịch vụ, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào Để được như vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất hoặc vệ tinh Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng

Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được xây dựng theo tiêu chuẩn GSM, IS-95, PDC, IS-38 phát triển rất nhanh vào những năm 1990 Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dùng FDMA hoặc TDMA Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào quên lãng Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là CDMA2000

Tại Việt Nam, thị trường di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ tương đối nhanh Cùng với hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, Công Ty Viễn thông Quân đội (Viettel), S-fone và mới nhất

là Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội và Viễn Thông Điện Lực tham gia vào thị trường di động chắc hẳn sẽ tạo ra một sự cạnh tranh lớn giữa các nhà cung cấp dịch vụ, đem lại một sự lựa chọn phong phú cho người sử dụng Vì vậy, các nhà cung cấp dịch

Trang 13

vụ di động Việt Nam không chỉ sử dụng các biện pháp cạnh tranh về giá cả mà còn phải nỗ lực tăng cường số lượng dịch vụ và nâng cao chất lượng dịch vụ để chiếm lĩnh thị phần trong nước Trong số các nhà cung cấp dịch vụ di động ở Việt Nam, ngoài hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, còn có Viettel đang

áp dụng công nghệ GSM và cung cấp dịch vụ di động cho phần lớn thuê bao di động ở Việt Nam Vì vậy khi tiến lên 3G, chắc chắn hướng áp dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA

Chính vì vậy trong đồ án này 2 em chọn dề tài “TÌM HIỂU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WCDMA” Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy Nguyễn Văn Dũng để em hoàn thành đồ án này

Tp Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2011

Sinh viên thực hiện Trần Quang Anh

Trang 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WCDMA

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về các dịch vụ của hệ thống thông tin di động, nhất là các dịch vụ truyền

số liệu đòi hỏi các nhà khai thác phải đưa ra hệ thống thông tin di động mới Trước bối cảnh đó hiệp hội viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá để xây dựng

hệ thống thông tin di động thế hệ ba với với tên gọi là IMT- 2000 Đồng thời các cơ quan về tiêu chuẩn hoá xúc tiến việc xây dựng một tiêu chuẩn hoá áp dụng cho IMT-

2000 thông qua dự án 3GPP (Third Generation Partnership Project) Hệ thống thông

tin di động thế hệ ba được ra đời từ dự án 3GPP được gọi là hệ thống thông tin di động UMTS/WCDMA

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 IMT-2000

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục

vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT- 2000 như sau:

 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

 Đường lên : 1885-2025 MHz

 Đường xuống : 2110-2200 MHz

 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên

xe, vệ tinh

 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

Trang 15

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

 Có khả năng chuyển vùng toàn cầu

 Có khả năng sử dụng giao thức Internet

Hiện nay hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT- 2000 là :

WCDMA được xây dựng trên cơ sở cộng tác của Châu Âu và Nhật Bản

Cdma2000 do Mỹ xây dựng

1.3 NGUYÊN LÝ CDMA

1.3.1 Nguyên lý trải phổ CDMA

Các hệ thống số được thiết kế để tận dụng dung lượng một cách tối đa Theo

nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon được mô tả trong (1.1), rõ ràng dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cách tăng băng tần kênh truyền

C = B log2(1+S/N) (1.1) Trong đó B là băng thông (Hz), C là dung lượng kênh (bit/s), S là công suất tín hiệu và N là công suất tạp âm

Vì vậy, Đối với một tỉ số S/N cụ thể (SNR), dung lượng tăng lên nếu băng thông

sử dụng để truyền tăng CDMA là công nghệ thực hiện trải tín hiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi CDMA thường được gọi là kỹ thuật đa truy nhập trải

phổ (SSMA).Tỷ số độ rộng băng tần truyền thực với độ rộng băng tần của thông tin cần truyền được gọi là độ lợi xử lý (G P ) hoặc là hệ số trải phổ

GP = Bt / Bi hoặc GP = B/R (1.2) Trong đó Bt :là độ rộng băng tần truyền thực tế

Bi : độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin

B : là độ rộng băng tần RF

R : là tốc độ thông tin

Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0, trong đó Eb là năng lượng trên một bit, và I0 là mật độ phổ năng lượng tạp âm, thể hiện trong công thức sau :

Trang 16

ểu tổng quan WCDMA GVHD: Nguy

b

B I

R E N

1.25MHz Trong hệ thống WCDMA, băng thông truy

Trong CDMA, mỗi người sử d

trải tín hiệu thông tin thành mộ

c chuỗi mã của người sử dụng đó và gi

Kỹ thuật trải phổ và giải tr

ải phổ và giải trải phổ là ho

CDMA Dữ liệu người sử dụng ngụ ý là chu

ng trải phổ chính là nhân mỗi bit d

c gọi là các chip Ở đây, ta lấ

trải phổ BPSK Kết quả tốc đ

u) như là mã trải phổ Việc tăng t

ố là 8) phổ của tín hiệu dữ liệ

ợc truyền qua các kênh vô tuy

Hình 1.1 Quá trình tr

Trong quá trình giải trải phổ, các chu

c nhân từng bit với cùng các chip mã 8

ng quan WCDMA GVHD: Nguy

p

b

G I

E 10



 (1.3)

xác định, độ lợi xử lý càng cao, thì t

ng CDMA đầu tiên, IS-95, băng thông truy

ng WCDMA, băng thông truyền khoảng 5MHz

dụng được gán một chuỗi mã duy n

ột tín hiệu băng rộng trước khi truy

ng đó và giải mã để khôi phục tín hi

i trải phổ

là hoạt động cơ bản nhất trong các h

ý là chuỗi bit được điều chế BPSK có t

i bit dữ liệu người sử dụng v

ấy n=8 thì hệ số trải phổ là 8, ngh

c độ dữ liệu là 8xR và có dạng xu

c tăng tốc độ dữ liệu lên 8 lần đáp

ệu người sử dụng được trải ra Tín hi

n qua các kênh vô tuyến đến đầu cuối thu

Quá trình trải phổ và giải trải phổ

, các chuỗi chip/dữ liệu người sử

i cùng các chip mã 8 đã được sử dụng trong quá trình tr

ng quan WCDMA GVHD: Nguyễn Văn Dũng

Trang 17

Như trên hình vẽ tín hiệu người sử dụng ban đ

Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

ột mạng thông tin di động là m

ng lớn người sử dụng chia sẻ ngu

thông tin Dung lượng đa truy nhập là m

i phổ tín hiệu cần truyền đem l

ng CDMA Trong lịch sử thông tin di đ

khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA S

Hình 1.2 Các công ngh

Trong hệ thống đa truy nhập theo t

ng khác nhau được truyền trong các kênh khác nhau v

nhau Trong hệ thống đa truy nhập phân chia

dụng khác nhau được truyền đi trong các khe th

ệ khác nhau, số người sử dụng l

định Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các t

ợc truyền đi trong cùng một băng t

dụng đóng vai trò như là nhiễ

ng của hệ thống CDMA gần như là m

nh, nên dung lượng của hệ thống CDMA đư

Hình 1.3 Chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 ngư

t hệ thống CDMA

ng ban đầu được khôi phục hoàn toàn

p CDMA

ng là một hệ thống nhiều người sửnguồn tài nguyên vật lý chung đ

p là một trong các yếu tố cơ bả

n đem lại khả năng thực hiện đa truy nhthông tin di động đã tồn tại các công ngh: TDMA, FDMA và CDMA Sự khác nhau giữa chúng đư

Các công nghệ đa truy nhập

p theo tần số FDMA, các tín hiệ

n trong các kênh khác nhau với các tầ

p phân chia theo thời gian TDMA, các tín hi

n đi trong các khe thời gian khác nhau V

ng lớn nhất có thể chia sẻ đồ

ng CDMA, các tín hiệu cho ngư

t băng tần tại cùng một thời đi

ễu đối với tín hiệu của người s

n như là mức nhiễu, và không có con s

ng CDMA được gọi là dung lượnào 3 người sử dụng có thể truy nh

n đa truy nhập cho các hệ

i các công nghệ đa truy nhập

a chúng được chỉ ra trong

ệu cho các người sử

ần số điều chế khác

i gian TDMA, các tín hiệu của

i gian khác nhau Với các ồng thời các kênh vật

u cho người sử dụng khác

i điểm Mỗi tín hiệu

i sử dụng khác, do đó

ng có con số lớn nhất ợng mềm

truy nhập đồng thời

Trang 18

được gửi qua giao di

và truyền đi Quá tr

Hình 1.3 Nguyên lý c

i bên thu người sử dụng 2 sẽ

u băng hẹp, chứ không phải tín hi

quan chéo giữa mã của người sử dụng mong mu

ỏ, việc tách sóng kết hợp sẽ

n nhỏ cho tín hiệu của người s

ộ lợi xử lý và đặc điểm băng r

ống CDMA, như hiệu suất ph

i ích đó yêu cầu việc sử dụng k

n giao mềm, để tránh cho tín hiệu c

ng khác

T SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LỚ

Các mã trải phổ

Trong hệ thống trải phổ chuỗi tr

i bit giả ngẫu nhiên (PN) M

định là 3.84Mcps đem lại mộ

i qua giao diện vô tuyến WCDMA đư

n đi Quá trình này được mô tả

Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ

ẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin c

i tín hiệu của bất cứ người nào khác B

ng mong muốn và các mã của ngư chỉ cấp năng lượng cho tín hi

ử dụng khác và băng tần thông tin

m băng rộng của quá trình xử lý đem l

t phổ cao và dung lượng mềm Tuy nhiên, t

ng kỹ thuật điều khiển công suấ

u của người sử dụng này che thông tin c

ỚP VẬT LÝ TRONG HỆ TH

i trực tiếp DSSS, các bit dữ li

u nhiên (PN) Mạng vô tuyến UMTS mạng s

ột băng thông sóng mang xấ

n WCDMA được mã hoá 2 lần trướ

ả trong hình vẽ sau:

Trang 7

u thông tin của nó trở lại tín

i nào khác Bởi vì sự tương

Trang 19

Hình 1.4 Quá trình trải phổ và trộn

Như vậy trong quá trình trên có hai loại mã được sử dụng là mã trộn và mã định kênh

 Mã định kênh: là các mã hệ số trải phổ biến đổi trực giao OVSF giữ tính trực

giao giữa các kênh có các tốc độ và hệ số trải phổ khác nhau Các mã lựa chọn được xác định bởi hệ số trải phổ Cần phải chú ý rằng: Một mã có thể được sử dụng trong cell khi và chỉ khi không có mã nào khác trên đường dẫn từ một mã cụ thể đến gốc của cây mã hoặc là trên một cây con phía dưới mã đó được sử dụng trong cùng một cell

Có thể nói tất cả các mã được chọn lựa sử dụng hoàn toàn theo quy luật trực giao

 Mã trộn Mã trộn được sử dụng trên đường xuống là tập hợp chuỗi mã Gold

Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n Chức năng của nó dùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau Thông qua mô phỏng, n được xác định là tỉ số giữa tự tương quan

và tương quan chéo khi thay đổi số chip bị cắt bớt do thay đổi tỉ số S/N Kết quả được

chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Quan hệ giữa S/N và số chip bị cắt bớt

Có hai loại mã trộn trên đường lên , chúng dùng để duy trì sự phân biệt giữa các máy di động khác nhau Cả hai loại đều là mã phức Mã thứ nhất là mã hoá Kasami rất rộng Loại thứ hai là mã trộn dài đường lên thường được sử dụng trong cell không phát hiện thấy nhiều người sử dụngtrong một trạm gốc Đó là chuỗi mã Gold

có chiều dài là 241-1

Trang 20

Hình 1.5 Hệ thống trải phổ DS-CDMA

Trang 21

Một độ lợi xử lý N=W/B = tỷ số của tốc độ chip / tốc độ ký hiệu và còn được gọi là hệ số trải phố (SF) thể hiện mức độ chống nhiễu băng rộng sẽ đạt được nhờ sử dụng quá trình trộn (nhân) và lọc (tương quan) Nếu thu được một bản sao bị trễ của tín hiệu cần thu (tức là một thành phần sóng trong hiệu ứng nhiều tia), quá trình trộn bởi các song trải phổ ở máy thu không làm giảm độ rộng băng tần của tín hiệu này nếu hàm tương quan của dạng sóng trải phổ có các thuộc tính mong muốn nhất định thỏa mãn bởi các chuỗi giả ngẫu nhiên Như vậy, hệ thống trải phổ DS thu được một độ lợi

xử lý chống nhiễu do hiện tượng nhiều tia từ tín hiệu cần thu cũng nhu chống hiện tượng jamming hoặc nhiễu từ những thuê bao khác Khả năng này của hệ thống trải phổ DS để tách ra tín hiệu cần thu và khử nhiễu do hiện tượng nhiều tia đã được khai thác bởi một kỹ thuật thu gọi là “ Rake”, kỹ thuật này sẽ thu các tia song đến máy thu qua nhiều đường khác nhau (multipath) sử dụng các mạch phát chuỗi PN có các thời gian trễ khác nhau, sắp xếp lại các tia sóng này theo thời gian và sau đó kết hợp chúng

để thu được một độ lợi phân tập (kỹ thuật thu rake được đề cập đến ở phần sau)

1.4.2 Phương thức song công

Hai phương thức song công được sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD) Phương pháp FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống Phương thức TDD chỉ cần một băng tần Thông thường phổ tần số được bán cho các nhà khai thác theo các dải có thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển Mặc dù có một số đặc điểm khác nhau nhưng cả hai phương thức đều có tổng hiệu suất gần giống nhau Chế

độ TDD không cho phép giữa máy di động và trạm gốc có trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây

ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát Vì vậy mà chế độ IDD phù hợp với các môi trường có trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống có thể rất khác nhau, vì vậy

mà phù hợp cho các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, chẳng hạn như Web browsing Trong quá trình hoạch định mạng, các ưu điểm

và nhược điểm của hai phương pháp này có thể bù trừ

Trang 22

ất cứ người sử dụng mới nào s

dụng đang có mặt trong hệ th

mã thì mức tăng nhiễu do tăng tải là cơ c

c các cell bị co hẹp lại do tải cao và vi

n nó có mức nhiễu thấp là các hi

u trong các mạng CDMA Chính vì th

ợng mềm” Đặc biệt, khi quan tâm đ

làm cho việc hoạch định mạng trở nên ph

Phân tập đa đường- Bộ thu RAKE.

Truyền sóng vô tuyến trong kênh di đ

, sự suy hao khác nhau của năng lư

t cản tự nhiên như toà nhà, các q

Hình 1-5 Truy

ệu ứng đa đường thường gây ra nhi

n Một trong những ưu điểm c

nhánh đa đường với trễ truyền khác nhau và cư

u suất của hệ thống Để kết h

t quán, cần thiết phải tách đúng các thành ph

u tia được giảm đi trong điều ch

qua các đường khác nhau được thu nh

ng xảy ra trong hệ thống này do không th

pha đinh nhiều tia, vì khi hiện tượng pha đinh nhi

không thể xử lý tín hiệu một cách đ

i nào sẽ gây ra một lượng nhiễu bthống, ảnh hưởng đến tải của h

i là cơ cấu giới hạn dung lượng chính trong m

i cao và việc tăng dung lượng của các cell mà các cell

p là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lư

ng CDMA Chính vì thế mà trong các mạng CDMA có đ

t, khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì các cnên phức tạp

thu RAKE

n trong kênh di động mặt đất được đ

a năng lượng tín hiệu Các hiện tưnhiên như toà nhà, các quả đồi…dẫn đến hiệu ứ

5 Truyền sóng đa đường

ng gây ra nhiều khó khăn cho các h

ng này do không thể loại bỏ hoàn toàn đư

ng pha đinh nhiều tia thường xuyên x

u khó khăn cho các hệ thống truyền dẫn

ng DSSS là tín hiệu thu qua các

u khác nhau lại có thể cải các nhánh đa đường một

n đó Tính nghiêm trọng của pha

ng WCDMA vì các tín hiệu truyền

p Nhưng hiện tượng pha đinh hoàn toàn được hiện tượng

ng xuyên xảy ra thì bộ giải

Trang 23

Phân tập là một biện pháp tốt để làm giảm pha đinh, có ba loại phân tập là phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian Phân tập thời gian được thực hiện nhờ việc sử dụng phương pháp đan xen kẽ và các mã sửa lỗi Hệ thống WCDMA thực hiện phân tập tần số bằng cách trải năng lượng tín hiệu ra một băng tần rộng trong khi pha đinh lựa chọn tần số thường chỉ có ảnh hưởng trong một độ rộng băng tần 200-300kHz Phân tập không gian hay phân tập theo đường truyền có thể được thực hiện theo ba cách sau:

- Thiết lập nhiều đường tín hiệu (chuyển giao mềm) để kết nối máy di động với hai hoặc nhiều BS

- Sử dụng môi trường truyền lan đa đường nhờ chức năng trải phổ như máy thu quét (Rake receiver) sẽ thu và tổ hợp các tín hiệu phát với các thời gian trễ phát khác nhau

- Đặt nhiều anten tại BS

Hình 1.6 Các loại phân tập trong WCDMA

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

hệ thống số có tốc độ mã truyền dẫn cao đáp ứng được áp dụng dễ dàng trong hệ thống WCDMA

Trang 24

Phạm vi rộng của phân tập không gian (phân tập đường truyền) có thể được cung cấp bởi đặc tính duy nhất của chuỗi trực tiếp ở hệ thống WCDMA và mức độ phân tập cao sẽ đem lại chất lượng tốt hơn trong môi trường nhiễu di động (EMI) lớn

Bộ điều khiển đa đường tách ra dạng sóng PN nhờ sử dụng bộ tương quan song song Máy di động sử dụng ba bộ tương quan, còn BS sử dụng bốn bộ tương quan Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (máy thu RAKE), nó tìm thu tín hiệu qua mỗi đường, tổ hợp và giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Hiện tượng pha đinh có thể xảy ra trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường thu.Vì vậy, tổ hợp của các tín hiệu thu được có độ tin cậy rất cao, vì khả năng xảy ra hiện tượng pha đinh đồng thời trong tất cả các tín hiệu thu là cực kỳ thấp

Trong các hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE được sử dụng để thực hiện chức năng này Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu được gọi là “finger” Bộ thu RAKE

sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lượng của các thành phần tín hiệu khác nhau có pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chòm sao Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đó được kết hợp thành một tín hiệu với chất lượng cao hơn Quá trình này được gọi là quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất (MRC), và chỉ có các tín hiệu với độ trễ tương đối cao hơn độ rộng thời gian của một chip mới được kết hợp Quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất sử dụng tốc độ chip là 3.84Mcps tương ứng với 0.26µs hoặc là chênh lệch về độ dài đường dẫn là 78m Phương pháp này giảm đáng kể hiệu ứng phadinh bởi vì khi các kênh có đặc điểm khác nhau được kết hợp thì ảnh hưởng của phadinh nhanh được tính bình quân Độ lợi thu được từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đường tương

tự với độ lợi của chuyển giao mềm có được bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao

Trang 25

Hình 1.7 Máy thu quét (Rake receiver)

1.4.5 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến

a) Các chức năng phần phát

Các chức năng của phần phát được mô tả dưới đây Sau khi mã hóa, gắn các mã sửa lỗi và xử lý đan xen, tín hiệu thoại và số liệu được điều chế ở phần trải phổ Sau đó tín hiệu được điều chế trực giao và gửi đi trên sóng mang phát đến máy phát vô tuyến

Hình 1.6 Các chức năng phần phát trong hệ thông WCDMA

b) Các chức năng phần thu

Trang 26

Tín hiệu thu được giải điều chế trực giao sau khi biến đổi tần số và loại bỏ tạp

âm Tiếp theo, tín hiệu thu được đưa đến phần xử lý tổng hợp quét (rake synthesizing) Sửa lỗi và giải xen kẽ, sau đó đến phần giải mã kênh để thu lại tín hiệu ban đầu

Hình 1.7 Các chức năng phần thu trong hệ thống WCDMA

1.5 CẤU TRÚC MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN

1.5.1 Các đặc điểm của WCDMA

 WCDMA có các đặc điểm sau đây

a) Hiệu suất sử dụng tần số cao

Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy cập như TDMA và FDMA được ứng dụng, Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao, điều này nên được hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số Ví dụ, CDMA

có thể đạt được một mức tín hiệu chắc chắn nhờ sử dụng kỹ thuật điều chỉnh công suất cực kỳ phức tạp để đạt được cùng mức hiệu suất như vậy Việc sử dụng các công nghệ

cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống

b) Dễ quản lý tần số

Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không có qui hoạch tần số Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA cần phải đặc biệt chú ý đến qui hoạch tần số, có nhiều khó khăn liên quan đến qui hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thường dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất qui tắc và các đặc tính địa hình phức tạp Cần phải chú ý rằng các qui hoạch tần số không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số CDMA không cần có qui hoạch tần số như thế

c) Công suất phát của máy di động thấp

Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống WCDMA có thể giảm được tỷ số Eb/No (tương đương với tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức chấp nhận được, điều này không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công

Trang 27

suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu Việc giảm này đồng nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với hệ thông TDMA hoặc

hệ thống tương tự có cùng công suất Ngoài ra, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác

Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát trong

hệ thống WCDMA là nó làm giảm công suất trung bình Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với WCDMA Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục hiện tượng pha đinh theo thời gian Trong hệ thống WCDMA, công suất trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất phát chỉ tăng khi xảy ra pha đinh

d) Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường xuống

Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường lên

và đường xuống Ví dụ, trong các hệ thống truy nhập khác như TDMA sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đường lên và đường xuống sẽ phải thay đổi Ngược lại, trong CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống đối với thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đường lên và đường xuống Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng như truy nhập Internet Khi không phát số liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng Do đó, nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở trên đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở trên xuống thì các tài nguyên vô tuyến được sử dụng tương đương tài nguyên cho một cập đường truyền lên và xuống Thông thường, TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các trường hợp như vậy

e) Các thuộc tính băng rộng của WCDMA cho hiệu suất cao hơn nhiều tốc độ

Trang 28

truyền tín hiệu thoại của máy di động vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh như mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại

f) Cải thiện các giải phấp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia

Công nghệ thu phân tập RAKE (thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất lượng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu một tia để thu

và kết hợp lại Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập đường truyền làm số đường truyền tăng lên Điều này giúp giảm công suất phát và tăng dung lượng

g) Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu

Băng thông rộng làm gia tăng tốc độ bit trong kênh điều khiển và tạo ra khả năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu Nhờ đó, máy di động có thể thu các tín hiệu

ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn Điều này giúp kéo dài thời gian chờ của pin ở máy di động

1.5.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WCDMA

Bảng 1.2 Trình bày các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WCDMA

Phương thức truyền 2 chiều (song công) FDD

Phương thức điều chế số liệu Đường xuống: QPSK, đường lên

BPSK Phương thức điều chế trải phổ Đường xuống: QPSK, đường lên

HPSK

Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế

độ đồng bộ) Phương thức mã hóa thoại AMR (1.95 kbit/s – 12.2 kbit/s) Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng

BPSK: điều chế pha hai trạng thái

Trang 29

FDD: Song công phân chia tần số HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai) QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái

1.5.3 Cấu trúc mạng WCDMA

Hình 1.8 Cấu trúc trong UMTS

a) Mạng lõi CN (Core Network)

Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:

 Quản lí di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi

 Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi

 Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài

 Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói

 Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng

Mạng lõi UMTS có thể chia thành 2 phần: thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và cổng MSC Thành phần chuyển mạch gói gồm nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN: Gateway

GPRS Support Node) Một số thành phần của mạng như HLR và AUC được chia sẽ

cho cả hai phần Cấu trúc của mạng lõi có thể được thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra

Các phần tử chính của mạng lõi như sau :

Trang 30

 HLR (Home Location Register: Thanh ghi định vị thường trú) là một cơ sở dữ

liệu trong hệ thống thường trú của người sử dụng, lưu trữ các bản gốc các thông tin hiện trạng dịch vụ người sử dụng, hiện trạng về dịch vụ bao gồm: thông tin về dịch vụ được phép sử dụng, các vùng roaming bị cấm, thông tin các dịch vụ bổ sung như: trạng thái các cuộc gọi đi, số các cuộc gọi đi… Nó được tạo ra khi người sử dụng mới đăng

ký thuê bao với hệ thống, và được lưu khi thuê bao còn thời hạn Với mục đích định tuyến các giao dịch tới UE (các cuộc gọi và các dịch vụ nhắn tin ngắn), HLR còn lưu trữ các thông tin vị trí của UE trong phạm vi MSC/VLR hoặc SGSN

 MSC/VLR (Mobile Service Switching Center: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ

di động) là một bộ chuyển mạch(MSC) và cơ sở dữ liệu(VLR) phục vụ cho UE ở vị trí tạm thời của nó cho các dịch vụ chuyển mạch kênh Chức năng MSC được sử dụng để chuyển mạch các giao dịch sử dụng chuyển mạch kênh, chức năng VLR là lưu trữ bản sao về hiện trạng dịch vụ người sử dụng là khách và thông tin chính xác về vị trí của thuê bao khách trong toàn hệ thống Phần của hệ thống được truy nhập thông qua MSC/VLR thường là chuyển mạch kênh

 GMSC – (MSC cổng): là một bộ chuyển mạch tại vị trí mà mạng di động mặt

đất công cộng UMTS kết nối với mạng ngoài Tất các kết nối chuyển mạch kênh đến

và đi đều phải qua GMSC

 SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ) có chức năng tương tự như MSC/VLR

nhưng thường được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói

 GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) có chức năng gần giống GMSC nhưng phục

vụ các dịch vụ chuyển mạch gói

Mạng ngoài có thể chia thành 2 nhóm:

 Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nối chuyển

mạch kênh, giống như dịch vụ điện thoại đang tồn tại ví dụ như ISDN và PSTN

 Các mạng chuyển mạch gói: Các mạng này cung cấp các kết nối cho các

dịch vụ dữ liệu gói, chẳng hạn như mạng Internet

b) Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network)

UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS (Radio Network

Subsystem) Một RNS là một mạng con trong UTRAN và gồm một bộ điều khiển mạng

Trang 31

vô tuyến RNC (Radio Network Controller) và một hay nhiều Node B Các RNC và các Node B được kết nối với nhau bằng giao diện Iub

Các đặc tính chính của UTRAN :

 Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan Đặc biệt là các ảnh hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù WCDMA

 Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất

 Đảm bảo tính chung nhất với GSM khi cần thiết

 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô tuyến của UTRAN Nó giao diện với CN (thông thường với một MSC và một SGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC (Radio Resource Control), giao thức này định nghĩa các bản tin và các thủ tục giữa MS và UTRAN Nó đóng vai trò như BSC

Các chức năng chính của RNC :

- Điều khiển tài nguyên vô tuyến

- Cấp phát kênh

- Thiết lập điều khiển công suất

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tập Macro

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá

- Điều khiển công suất vòng hở

 Node B (trạm gốc)

Nó thực hiện một phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc ở GSM Lúc đầu Node B được sử dụng như là một thuật ngữ tạm thời trong quá trình chuẩn hoá nhưng sau đó nó không bị thay đổi Chức năng chính của Node B là xử lý lớp vật lý (L1) ở giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, trải phổ, điều chế

c) Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment)

Tiêu đề	Tìm hiểu tổng quan WCDMA
Tác giả	Trần Quang Anh
Người hướng dẫn	Nguyễn Văn Dũng
Trường học	Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
Chuyên ngành	Chuyên ngành điện tử viễn thông
Thể loại	Đề tài tìm hiểu tổng quan công nghệ WCDMA
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	62
Dung lượng	1,62 MB