Khảo sát và đánh giá lớp vật lý thông tin di động thế hệ 3

Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động Thông tin di động được đưa vào sử dụng đầu tiên ở mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này sử dụng c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN NGỌC

KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ LỚP VẬT LÝ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN NGỌC

KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ LỚP VẬT LÝ

THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Đinh Thế Cường

Hà Nội - 2011

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG W-CDMA [2], [3], [4], [5], [6], [9], [11] 10

1.1 Chuẩn hóa IMT-2000 10

1.2 Băng tần IMT-2000 12

1.3 Qúa trình phát triển các hệ thống thông tin di động 13

1.4 Lộ trình đi lên 3G 14

1.5 Đặc điểm chính của công nghệ WCDMA 15

1.6 Kiến trúc hệ thống W-CDMA 17

1.6.1 UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng 18

1.6.2 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) 18

1.6.3 CN (core network) 19

1.6.4 Các mạng ngoài 19

1.6.5 Các giao diện vô tuyến 20

1.7 Đặc điểm kỹ thuật CDMA 20

1.7.1 Các nguyên tắc cơ bản trải phổ[1] 20

1.7.2 Bộ thu Rake[1] 24

1.7.3 Chống nhiễu đa truy nhập[1] 26

1.8 Mã trải phổ[1] 30

1.8.1 Dãy m 30

1.8.2 Dãy Gold 31

1.8.3 Chuỗi m mở rộng 32

1.8.4 Các hàm trực giao 32

1.9 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 2 : LỚP VẬT LÝ W-CDMA [1], [4], [8], [9], [11] 33

2.1 Đặc điểm của UTRAN 33

2.2 Kênh truyền tải (Transport channel) 34

2.3 Kênh vật lý 36

2.3.1 Dedicated Physical Channels - Kênh vật lý dành riêng 37

2.3.2 Common Physical Channels – Các kênh vật lý dùng chung 38

2.4 Ghép kênh dịch vụ và mã kênh trong UTRA 42

2.4.1 Chèn mã CRC 43

2.4.2 Ghép khối truyền tải 43

2.4.3 Mã kênh 43

2.4.4 Bộ cân bằng khung vô tuyến 46

2.4.5 Ghép xen lần đầu 46

2.4.6 Phân đoạn khung vô tuyến 46

2.4.7 Phối hợp tốc độ 46

2.4.8 Chỉ thị phát gián đoạn 46

2.4.9 Ghép kênh truyền tải 47

2.4.10 Phân đoạn kênh vật lý 47

2.4.11 Ghép xen thứ 2: 47

2.4.12 Ánh xạ kênh vật lý 47

2.4.13 Ánh xạ một số các dịch vụ đa tốc độ vào các kênh vật lý UL trong chế độ FDD 47 2.4.14 Ánh xạ dịch vụ dữ liệu 4.1 kbps vào DPDCH DL trong chế độ FDD 49

2.5 Truyền dẫn tốc độ khác nhau và đa mã trong UTRA 51

2.6 Trải phổ và điều chế 51

2.6.1 Các mã trực giao với hệ số trải phổ thay đổi 52

2.6.2 Các mã xáo trộn đường lên 54

2.6.3 Mã xáo trộn đường xuống 54

2.6.4 Điều chế và trải phổ đường lên 54

2.6.5 Điều chế và trải phổ đường xuống 55

2.7 Kết luận chương 56

Chương 3: Đánh giá lớp vật lý W-CDMA [7], [10], [12], [13] 57

3.1 Mã kênh 57

3.1.1 Bộ mã song song kết hợp với bộ xáo trộn 57

3.1.2 Mã chập 59

3.1.3 Mã hóa turbo UMTS 60

3.1.4 Giải mã Turbo 62

3.1.5 Bộ xử lý SISO 63

3.2 Một số kết quả đánh giá lớp vật lý W-CDMA 65

3.2.1 Mô phỏng hiệu quả sử dụng mã turbo truyền qua kênh AWGN 65

3.2.2 Mô phỏng quá trình truyền dẫn qua lớp vật lý WCDMA - FDD đường xuống theo 3GPP 68

3.3 Kết luận chương: 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

B

C

D

DS-CDMA Direct Sequence – Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã - chuỗi trực tiếp

E

Standard Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

Âu

F

G

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS

Q

R

SISO Soft – Input Soft - Output Đầu vào mềm và đầu ra mềm

U

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thuộc tính của dãy m và Gold 31

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của UTRAN 34

Bảng 2.2 Các kênh truyền tải UTRAN 35

Bảng 2.3 Ánh xạ kênh truyền tải của bảng 2.2 vào các kênh vật lý UTRAN 37

Bảng 2.5: Các thông số cho truyền thông đa phương tiện 48

Bảng 2.6 Các thông số ánh xạ dịch vụ dữ liệu 4.1 kbps vào kênh DPPCH DL 49

Bảng 2.7 Các thông số điều chế và trải phổ UL/DL trong UTRAN 52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình giao diện vô tuyến IMT-2000 12

Hình 1.2 Kết nối giữa các giao diện vô tuyến và các mạng lõi 12

Hình 1.3 Phân chia tần số 13

Hình 1.4 Lộ trình đi lên 3G 15

Hình 1.5 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 16

Hình 1.6 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao 17

Hình 1.7 Kiến trúc hệ thống W-CDMA chi tiết theo chuẩn UMTS 18

Hình 1.8 Mật độ phổ công suất trước và sau khi trải phổ 21

Hình 1.9 Dạng sóng miền thời gian hình thành tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp 22

Hình 1.10 Phát tín hiệu DS-SS điều chế BPSK 22

Hình 1.11: Dạng sóng miền thời gian khi thực hiện giải mã tín hiệu chuỗi trực tiếp 23

Hình 1.12: Máy thu BPSK DS-SS với kênh AWGN 24

Hình 1.13 Bộ thu Rake với điều chế BPSK 25

Hình 1.14 Mô hình hệ thống CDMA 26

Hình 1.15 Thanh ghi dịch m trạng thái với đường phản hồi tuyến tính 30

Hình 2.1 Cấp phép phổ tần cho UTRA 33

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD 34

Hình 2.3 Cấu trúc kênh vật lý UTRAN 36

Hình 2.4: Cấu trúc khe thời gian các kênh vật lý dành riêng UTRAN UL FDD 38

Hình 2.5: Cấu trúc khe thời gian các kênh vật lý dành riêng UTRAN DL FDD 38

Hình 2.6 Cấu trúc khe thời gian của phần bản tin khi phát đa truy nhập ngẫu nhiên trong UTRAN khung này được truyền ở khe đầu tiên lúc truy nhập 39

Hình 2.7 Cấu hình khe thời gian kênh điều khiển dùng chung sơ cấp DL UTRAN được ánh xạ vào khe thời gian hình 2.6 39

Hình 2.8 Cấu trúc khe thời gian kênh S-CCPCH UTRAN DL FDD 40

Hình 2.9 Cấu trúc khe gian nhập (AS) của kênh chỉ thị bắt (AICH) UTRAN DL 40

Hình 2.10 Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi UTRAN DL (PICH) Mỗi khung PICH có thể mang tổng số N PI trong đó N = 18, 36, 72 và 144 41

Hình 2.11 Cấu trúc cụm trong mode UTRAN TDD Có 2 loại cụm là loại 1 và 2 41

Hình 2.12 15 khe thời gian DL/UL được đưa ra trong UTRAN TDD 42

Hình 2.13 Cấu trúc cụm trong chế độ TDD UTRAN có thông tin TFCI và TFCI+TPC 42

Hình 2.14 Sơ đồ mã kênh và ghép kênh lớp truyền tải cho UL trong UTRAN 44

Hình 2.15 Sơ đồ mã kênh và ghép kênh lớp truyền tải cho DL trong UTRA 45

Bảng 2.4 Các thông số của mã kênh UTRAN cho các kênh trong bảng 2.2 46

Hình 2.16 Ánh xạ một số dịch vụ đa phương tiện vào kênh vật lý rành riêng UL 48

Hình 2.17 Ánh xạ dịch vụ dữ liệu 4.1 vào kênh DPDCH DL ở chế độ FDD 50

Hình 2.19 Định dạng khe FDD DL cho truyền dẫn đa mã trong UTRA 51

Hình 2.20: Cây mã trực giao hệ số trải phổ thay đổi trong UTRAN 53

Hình 2.21 Máy phát UL trong UTRAN truyền dẫn đa mã 55

Hình 2.22 Máy phát DL trong UTRAN sử dụng cấu trúc khung của hình 2.5 56

Hình 3.1 Cấu trúc bộ mã hóa Turbo 58

Hình 3.2 Bộ mã chập không hệ thống với tốc độ ½ 59

Hình 3.3 Mã chập hệ thống đệ quy với tốc độ ½ có thể được sử dụng cho mã Turbo theo

chuẩn UMTS 59

Hình 3.4 Mã hóa Turbo theo chuẩn UMTS 61

Hình 3.5: Cấu trúc bộ giải mã turbo theo chuẩn UMTS 62

Hình 3.6: Một đặc trưng của mã lưới 64

Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa Turbo 65

Hình 3.8a Kết quả lỗi BER của bộ mã hóa Turbo với độ dài 256 bit 66

Hình 3.8b Kết quả lỗi BER của bộ mã hóa Turbo với độ dài 320 bit 67

Hình 3.9 Bộ mã hóa Turbo sử dụng số lần lặp và độ dài từ mã khác nhau 67

Hình 3.10 Sơ đồ tổng quát truyền dẫn vật lý WCDMA - FDD đường xuống theo 3GPP 68

Hình 3.11 Sơ đồ khối node B 69

Hình 3.12 Sơ đồ khối mã kênh 69

Hình 3.13 Ánh xạ kênh vật lý tại BS 70

Hình 3.14 Khối phát BS 70

Hình 3.15: Cấu trúc khung cho kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp P-CCPCH 71

Hình 3.16 Sơ đồ khối ánh xạ và điều chế QPSK 71

Hình 3.17 Sơ đồ khối kênh truyền 73

Hình 3.18: Sơ đồ khối máy thu UE 74

Hình 3.19 Sơ đồ khối bộ thu vô tuyến thực hiện nén phổ tín hiệu 74

Hình 3.20 Sơ đồ khối giải ánh xạ kênh vật lý máy thu tại UE 75

Hinh 3.21 Sơ đồ khối giải mã kênh 75

Hình 3.22 Tỷ lệ BER trên kênh Multipath + AWGN hoặc AWGN 79

MỞ ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của xã hội, việc truyền tải thông tin là một trong những nhu cầu không thể thiếu của con người Sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lớn, một dấu mốc quan trọng của sự phát triển trong công nghệ Cho đến nay, thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Thông tin di động thế hệ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA) Ngày nay, công nghệ thông tin di động 3G đã được đưa vào thương mại hóa Nhu cầu của người dùng không chỉ dừng lại ở tính di động mà còn đòi hỏi cả về chất lượng dịch vụ cũng như tốc độ dữ liệu ngày càng tăng Tuy nhiên, khi thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2

Sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA, HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người dùng

Trong quá trình truyền tin lớp vât lý đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống Truyền tin qua lớp vật lý thực hiện cần trải phổ và truyền dẫn trong môi trường vô tuyến di động, khi truyền qua kênh truyền không thể tránh khỏi nhiễu do môi tường tác động cũng như là nhiễu do fadding đa đường, nhiễu do đa người dùng Khi truyền dẫn

dữ liệu qua kênh truyền để đảm bảo dữ liệu thu được vẫn có giới hạn tỷ lệ lỗi bit (BER) cho các dịch vụ và tôc độ truyền dẫn dữ liệu khác nhau, khi đó cần có giải pháp đưa ra để BER của kênh truyền nằm trong giới hạn cho phép Có nhiều kỹ thuật nhằm đáp ứng được vấn đề đó và việc sử dụng mã hóa kênh là một biện pháp hiệu quả để làm giảm BER Mã hóa chập hoặc mã Turbo là một loại mã hóa kênh rất tốt để giảm lỗi BER trên lớp vật lý và dựa vào đó để đánh giá lớp vật lý WCDMA Để thực hiện được điều đó dữ liệu được chèn thêm các bit parity và tại máy thu có thể dựa vào bit parity đó để thực hiện sửa lỗi Xuất phát từ lý do đó, tôi chọn đề tài “Khảo sát và đánh giá lớp vật lý thông tin di động thế hệ 3” cho luận văn của mình Nội dung tìm hiểu của luận văn gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau:

Chương I: Trình bày một cách tổng quan các vấn đề về hệ thống W-CDMA, kiến trúc mạng, đặc điểm kỹ thuật CDMA và trải phổ

Chương II: Trình bày về lớp vật lý trong WCDMA cụ thể là UTRAN, và quá trình truyền dữ liệu qua lớp vật lý

Chương III: Trình bày về mã Turbo và Mô phỏng đánh giá lớp vật lý trong CDMA

W-CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG W-CDMA [2], [3], [4], [5], [6], [9], [11]

Số lượng người sử dụng mạng tế bào liên tục được phát triển trên thế giới, phần lớn là các dịch vụ thoại, dữ liệu và email, và dịch vụ mới được phát triển trong tương lai gần Để thực hiện được điều này các chuẩn di động thế hệ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật

đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) khá khả thi và tốt hơn so với các hệ thống thông tin di động trước đó

Mục tiêu của 3G vượt xa khả năng của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) như chuẩn Châu Âu GSM, Mỹ IS-95, Nhật Bản hệ thống tế bào số cá nhân PDC Như vậy, trong những năm gần đây một loạt các khái niệm, mục đính hệ thống mới được xác định, và nó sẽ được sử dụng chung trong các hệ thống đi động 3G Cả viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) và Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã xác định một phương thức làm việc chung cho các hệ thống 3G là IMT-2000

CDMA là kỹ thuật đa truy nhập có nhiều ưu điểm được đề xuất cho các hệ thống thông tin di động 3G trên toàn thế giới CDMA đã được sử dụng trong một số hệ thống 2G như chuẩn IS-95 và nó đã có khá nhiều ưu điểm Do đó cả 2 chuẩn UMTS

và IMT-2000 đều cơ bản bắt nguồn từ hệ thống CDMA băng rộng

Hệ thống 3G sử dụng băng tần kênh truyền 5MHz cho phép hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối đa là 2MHz, để đảm bảo truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao qua độ rộng băng tần giới hạn mà vẫn đảm bảo lỗi bit cho phép khi đó chúng ta cần sử dụng bộ mã kênh trước khi truyền tín hiệu để cho phép tại máy thu có thể phát hiện và sửa một số lỗi nhất định Có một số bộ mã kênh sử dụng trong thông tin di động là mã CRC, mã chập, mã khối, mã Turbo trong các bộ mã này thì mã Turbo cho kết quả tốt nhất với

tăng tốc độ dữ liệu trên đường truyền

1.1 Chuẩn hóa IMT-2000

Nghiên cứu về IMT-2000 đã được bộ phận thông tin vô tuyến của ITU (ITU-R) bắt đầu thực hiện từ năm 1985, ban đầu có tên là Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tương lai (FPLMTS) Bộ phận chuẩn hóa viễn thông của ITU (ITU-T) đã coi việc nghiên cứu IMT-2000 là một nhiệm vụ quan trọng và đã tiến hành các nghiên cứu về các giao thức báo hiệu lớp trên, các nhận dạng, các dịch vụ, mã hóa thoại/hình ảnh Tiếp theo các nghiên cứu này là các nghiên cứu về các thông số kĩ thuật chi tiết

do dự án đối tác thế hệ ba (3GPP) thực hiện và những nỗ lực nhằm xây dựng sự thống nhất giữa các tổ chức hướng tới sự phát triển của một giao diện vô tuyến được chuẩn hóa

Các hoạt động chuẩn hóa IMT-2000 trong ITU-R ban đầu có tên là FPLMTS ITU-R bắt đầu các nghiên cứu với việc làm rõ khái niệm hệ thống IMT-2000, bao gồm

cả các hệ thống vệ tinh và mặt đất ITU-R đã thống nhất các kiến nghị liên quan đến các nguyên tắc và khái niệm cơ bản, tiếp theo là các kiến nghị về khung chung và các yêu cầu của IMT-2000 Sau đó, ITU-R bắt đầu chuẩn bị một kiến nghị về giao diện vô tuyến nhằm đáp ứng những yêu cầu đặt ra trong các kiến nghị này ITU làm rõ những yêu cầu tối thiểu đối với giao diện vô tuyến IMT-2000 Đáp lại điều này các quốc gia

và tổ chức được yêu cầu đề xuất một giao diện vô tuyến có thể thỏa mãn các yêu cầu này vào tháng 6/1998

Ngoài ITU, còn có các quốc gia, khu vực và các tổ chức cũng tiến hành các nghiên cứu như ARIB của Nhật và ETSI Kết quả là 10 hệ thống thông tin mặt đất và 6

hệ thống vệ tinh đã được đề xuất lên ITU-R, tất cả các đề xuất này sau đó được đánh giá bởi một nhóm đánh giá gồm nhiều nước và tổ chức khác nhau Sau khi các hệ thống này được xác nhận là thỏa mãn yêu cầu của IMT-2000, các đặc tính chủ yếu của giao diện vô tuyến được cải tiến trên cơ sở xem xét các đặc tính tần số vô tuyến (RF)

và các đặc tính băng gốc quan trọng Tại cuộc họp cuối cùng tháng 11/1999, ITU8/1

đã đạt được một thỏa thuận về kiến nghị đối với các thông số kĩ thuật chi tiết của giao diện vô tuyến, bao gồm các thông số liên quan đến các lớp cao hơn Bản kiến nghị dự thảo này đã được chính thức thông qua như một bản kiến nghị của ITU tại hội nghị RA -2000 tổ chức vào tháng 5/2000 Bản kiến nghị đã đưa ra các nội dung liên quan đến giao diện vô tuyến IMT-2000 như sau:

1 Chuẩn giao diện vô tuyến bao gồm các công nghệ CDMA và TDMA

2 CDMA bao gồm phương thức trải phổ trực tiếp song công phân chia theo tần

số (FDD), phương thức đa sóng mang FDD và phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD) Tốc độ chíp tương ứng của phương thức trải phổ trực tiếp FDD và đa sóng mang FDD là 3,84 Mc/s và 3,6864 Mc/s

3 Nhóm TDMA bao gồm phương thức sóng mang đơn FDD và phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)/TDMA

4 Mỗi công nghệ vô tuyến này có thể hoạt động trên hai mạng lõi 3G chính

Ví dụ: phiên bản của GSM và ANSI-41 (Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ)

Các khuyến nghị nêu các thông số kĩ thuật của mỗi phương thức; trong đó phương thức trải phổ trực tiếp được gọi là W-CDMA

Hình 1.1 Cấu hình giao diện vô tuyến IMT-2000

Hình 1.2 Kết nối giữa các giao diện vô tuyến và các mạng lõi

sẽ trở nên không đủ trong tương lai gần Đặc biệt, ITU-R dự báo số thuê bao

IMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao trên toàn thế giới vào năm 2010, đồng thời

ITU-R cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá thành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vi toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kĩ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối ITU-R ước tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160MHz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2 x 67 MHz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới Để đáp ứng

Giao diện vô

IMT-2000 sóng mang đơn IMT-2000 FDMA/TDMA

IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp

IMT-2000 CDMA đa sóng mang

IMT-2000 CDMA TDD

IMT-2000 đơn sóng mang

IMT-2000 FDMA/

GSM MAP tăng cường

ANSI-41 tăng cường

Cơ sở IP Mạng lõi

dự báo này, hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000 (WRC-2000) đã đề xuất dành các băng tần 800 MHz (806-960 MHz), 1,7GHz (1710-1885 MHz) và 2,5 GHz (2500-

2690 MHz) để sử dụng cho IMT-2000 trên thế giới trong tương lai, còn việc phân chia thích hợp các tần số trong các băng tần này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trong nước và các ứng dụng thương mại khác

DECT W-CDMA

(TDD)

W-CDMA Uplink (FDD)

MS W-CDMA (TDD)

W-CDMA Downlink (FDD)

MS

TÇn sè (MHz)

MS: Ứng dụng di động vệ tinh

DECT: Hệ thống viễn thông không dây kỹ thuật số

Hình 1.3 Phân chia tần số

1.3 Quá trình phát triển các hệ thống thông tin di động

Thông tin di động được đưa vào sử dụng đầu tiên ở mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150Mhz Đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi dung lượng thấp Vào những năm

1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G) Hạn chế của hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn của khách hàng…

Hệ thống di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp

đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS) Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống di dộng thế hệ 2 ưu điểm hơn thế hệ 1 về

cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp

Hệ thống thông tin di động thứ 2: Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao,

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập: Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

Hệ thống thông tin di động thứ 3: Thế hệ thứ ba phải là thế hệ thông tin di động cho phép thực hiện dịch vụ di động truyền thông đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ thay thế bằng bưu thiếp điện tử lồng ghép với hình ảnh và các cuộc gọi thông thường trước đây sẽ được bổ sung hình ảnh để trở thành thoại có hình,… Để thực hiện điều đó thì hệ thống thông tin di động thứ ba phải đáp ứng một số yêu cầu sau:

- Mạng phải là mạng băng rộng và truyền thông đa phương tiện

- Có khả năng cung cấp dung lượng theo yêu cầu Ngoài ra còn phải đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: Tốc độ bit cao ở đường xuống và thấp ở đường lên

- Cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu: Đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho tiếng, các dịch vụ video và các khă năng số liệu gói cho dịch vụ số liệu

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định nhất là tiếng

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu bao gồm cả hệ thống thông tin vệ tinh

1.4 Lộ trình đi lên 3G

Con đường tiến lên công nghệ không dây thế hệ tiếp theo 3G qua 2 hướng phát triển theo 2 tiêu chuẩn chính mà ITU đã công nhận là CDMA 2000, và WCDMA

Thứ nhất: TDMA → GSM → GPRS → EDGE → WCDMA

Thứ hai: CDMA → CDMA 2000 IS 95A → CDMA 2000 IS 95B → CDMA

2000 X1 → CDMA 2000 X1 EV-DV

+ Châu Âu dựa vào WCDMA

+ Bắc Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc và một số nước khác đi theo hướng CDMA2000

+ Riêng Nhật Bản họ đã phát triển mạng PDC của mình theo cả WCDMA và CDMA 2000

Hình 1.4 Lộ trình đi lên 3G

1.5 Đặc điểm chính của công nghệ WCDMA

Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lí trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bít thấp và trung bình

WCDMA có những đặc tính cơ bản sau:

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả các thông tin trên một sóng mang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến

Đặc điểm chính của WCDMA là hệ thống không cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kĩ thuật chống nhiễu ở các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên tới 2Mbit/s Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng

và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác

Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi như điện tử, FPT…

Hình 1.5 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba

W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bít thấp và trung bình Nhược điểm của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng tần TDD với phát thu liên tục, công nghệ W-CDMA không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các phương tiện làm việc như máy điện thoại không dây Ưu điểm của công nghệ này là hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau: 144Kbps khi di chuyển nhanh, 384Kbps khi đi bộ (ngoài trời) và cao nhất là 2Mbps khi không di chuyển (trong nhà) Với tốc độ cao, WCDMA có khả năng hỗ trợ các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet tốc độ cao, xem phim, nghe nhạc với chất lượng không thua kém kết nối trong mạng có dây WCDMA nằm trong dải tần 1920MHz -1980MHz, 2110MHz -

Tuy nhiên UMTS cũng có một số nhược điểm Chuyển giao cuộc gọi mới chỉ thực hiện được theo chiều từ UMTS sang GSM mà chưa thực hiện được theo chiều ngược lại Tần số cao hơn mạng GSM900 nên số lượng trạm BTS dày đặc hơn do đó thời gian xây dựng mạng lâu hơn và chi phí cao hơn mạng GSM Để cung cấp được

dịch vụ Video-on-demand, các trạm gốc phải đặt cách nhau khoảng 1-1,5km; điều đó

có thể thực hiện được ở khu vực đô thị nhưng sẽ là không kinh tế ở khu vực nông thôn

1.6 Kiến trúc hệ thống W-CDMA

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS tận dụng kiến trúc đã có trong hầu hết các hệ thống thông tin di động thế hệ 2, và thậm chí cả thế hệ thứ nhất Điều này được chỉ ra trong các đặc tả kỹ thuật 3GPP

Hệ thống UMTS bao gồm một số các phần tử mạng logic, mỗi phần tử có một chức năng xác định Theo tiêu chuẩn, các phần tử mạng được định nghĩa tại mức logic, nhưng có thể lại liên quan đến việc thực thi ở mức vật lý Đặc biệt là khi có một số các giao diện mở (đối với một giao diện được coi là “mở”, thì yêu cầu giao diện đó phải được định nghĩa một cách chi tiết về các thiết bị tại các điểm đầu cuối mà có thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khác nhau) Các phần tử mạng có thể được nhóm lại nếu có các chức năng giống nhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng

Theo chức năng thì các phần tử mạng được nhóm thành các nhóm:

+) Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

là UTRAN) Mạng này thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến

+) Mạng lõi (CN): Thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu đến các mạng ngoài

+) Thiết bị người sử dụng (UE) giao tiếp với người sử dụng và giao diện vô tuyến

Kiến trúc hệ thống ở mức cao được chỉ ra trong hình 1.6

Uu

Iu

Hình 1.6 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao

Theo các đặc tả chỉ ra trong quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhu cầu của công nghệ

vô tuyến WCDMA mới Ngược lại, việc định nghĩa mạng lõi (CN) được kế thừa từ GSM Điều này đem lại cho hệ thống có công nghệ truy nhập vô tuyến mới một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi đã có sẵn, như vậy sẽ thúc đẩy sự quảng bá của nó, mang lại ưu thế cạnh tranh chẳng hạn như khả năng roaming toàn cầu

Hệ thống UMTS có thể chia thành các mạng con có thể hoạt động độc lập hoặc hoạt động liên kết các mạng con khác và nó phân biệt với nhau bởi số nhận dạng duy nhất Mạng con như vậy gọi là mạng di động mặt đất UMTS (PLMN), các thành phần của PLMN được chỉ ra trong hình 1.7

GGSN

PLMN, PSTN, ISDN

Internet M¹ ng ngoµi

Iur Iub

Hình 1.7 Kiến trúc hệ thống W-CDMA chi tiết theo chuẩn UMTS

1.6.1 UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng

UE là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng kí thuê bao)

USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch

vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng kí

1.6.2 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS là liên kết giữa người sử dụng và CN

Nó gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện là giao diện Iu và giao diện

Uu Trong đó:

Giao diện Iu giữa UTRAN và CN gồm 2 phần là IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh

Giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng

Giữa hai giao diện này là hai nút RNC và nút B

Node B : Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B Nhiệm vụ của nút B là thực

hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub

từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Nó cũng thực hiện một

số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như “điều khiển công suất vòng trong” Tính năng này giúp đề phòng hiệu ứng gần xa: nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều

phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa nút B Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc

và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC) Một nhiệm

vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC

1.6.3 CN (core network)

Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di động (MSC: Mobile Switching Center) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói phục vụ (SGSN: Serving General Packet Radio Service Support Node) Các kênh thoại và số liệu chuyển mạch gói được kết nối với các mạng ngoài qua các trung tâm chuyển mạch di động cổng và nút hỗ trợ chuyển mạch gói cổng: GMSC và GGSN Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF) Ngoài các trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói, mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di động như: HLR, AUC và EIR

HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ

thông tin chính về lí lịch dịch vụ của người sử dụng Các thông tin này bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi

- MSC/VLR (Mobile Service Switching Center/Visitor Location Register): là

tổng dài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho

UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VLR có chức năng giữ bản sao về lí lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của

UE trong hệ thống đa dịch vụ

- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài

- SGSN (Serving GPRS): Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng

cho các dịch vụ chuyển mạch gói

- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng như GMSC nhưng chỉ

phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói

1.6.4 Các mạng ngoài

 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

1.6.5 Các giao diện vô tuyến

- Giao diện Cu : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này

tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh

- Giao diện Uu : Là giao diện mà qua đó UE truy nhập các phần tử cố định của

hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

- Giao diện Iu : Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà

khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện Iur : Giao diện này cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các

nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện Iub: Giao diện này cho phép kết nối một nút B với một RNC Iub được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

1.7 Đặc điểm kỹ thuật CDMA

- CDMA là một kỹ thuật thông tin trải phổ hỗ trợ truyền dẫn số với tín hiệu nhiều người sử dụng trong một môi trường đa truy nhập CDMA tăng được dung lượng người sử dụng, dung lượng hệ thống tương tự như đa truy nhập phân chia tần số (FDMA) và đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Tuy nhiên CDMA là kỹ thuật duy nhất cho phép hỗ trợ nhiều người sử dụng trên cùng một kênh vô tuyến mà không làm suy giảm hiệu suất sử dụng gây ra do nhiễu đa người dùng Hơn nữa, tái sử dụng tần số trong môi trường tế bào CDMA có thể được nâng cao và còn được gọi là

hệ thống băng rộng, nó có thể cùng tồn tại với các hệ thống băng hẹp và phổ tín hiệu CDMA bị mất trong một băng tần hẹp sẽ không gây nhiễu đến hệ thống Điều này dễ dàng để quản lý tần số khi đó cho phép phát triển từ các hệ thống băng hẹp sang các hệ thống băng rộng CDMA có thể lợi dụng tính chất fading đa đường của tín hiệu để thực hiện điều này và sẽ được trình bày sau đây

1.7.1 Các nguyên tắc cơ bản trải phổ [1]

Trong truyền dẫn trải phổ, tín hiệu thông tin băng gốc chiếm một độ rộng băng tần là B Hz, sau đó tín hiệu được trải phổ và tín hiệu truyền chiến độ rộng băng tần lớn gấp N lần so với tín hiệu băng gốc, ở đây N là độ lợi xử lý Trong thực tế độ lợi xử lý được đưa ra khoảng từ 10 đến 30 dB Mô hình trải phổ trong miền tần số được chỉ ra ở hình 1.8

Tín hiệu trải phổ được truyền có độ rộng băng tần lớn gấp N lần so với tín hiệu băng gốc, trong khi mật độ phổ công suất của nó tương ứng giảm N lần Như vậy độ lợi xử lý là:

Hình 1.8 Mật độ phổ công suất trước và sau khi trải phổ

của tín hiệu băng gốc Kỹ thuật trải phổ là một kỹ thuật quan trọng áp dụng trong môi trường vô tuyến và kỹ thuật này cũng cho phép kết hợp với tín hiệu băng hẹp có mật

độ phổ công suất lớn hơn để sử dụng chung dải tần

Có hai hệ thống trải phổ (SS) cơ bản là:

- Các hệ thống trải phổ (SS) chuỗi trực tiếp (DS)

- Các hệ thống trải phổ (SS) nhạy tần (FH)

1.7.1.1 Trải phổ nhảy tần:

Trong trải phổ nhảy tần, tín hiệu băng hẹp được truyền đi sử dụng các sóng mang tần số khác nhau ở những thời điểm khác nhau Như vậy dữ liệu được ánh xạ truyền trên một phổ rộng, có 2 kỹ thuật nhảy tần là nhảy tần nhanh và nhảy tần chậm, tần số sóng mang thay đổi sau một số symbol hoặc một burst được truyền đi Yêu cầu nhảy tần là phải được biết trước ở máy thu chủ định Như vậy mới có thể giải điều chế nhảy tần để giải điều chế được tín hiệu Trong hệ thống CDMA trải phổ chuỗi trực tiếp được sử dụng nhiều hơn

1.7.1.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp

Trong trải phổ chuỗi trực tiếp tín hiệu thông tin được nhân với chuỗi chữ ký tần

số lớn là mã trải phổ hoặc chuỗi trải phổ Chuỗi chữ ký của người sử dụng dùng để phân biệt tín hiệu của các người dùng khác nhau khi giải quyết vấn đề đa truy nhập trong CDMA Mặc dù trong CDMA phân biệt các người sử dụng sử dụng mã trải phổ trực giao theo tần số hoặc thời gian trực giao FDMA và TDMA

Hình 1.9 Dạng sóng miền thời gian hình thành tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp

c

s c

T

T

ta sẽ thu được tín hiệu trải phổ

hiệu suất băng thông và hiệu suất hệ thống CDMA

b t

, 0

0 , 1 )

a t

c

T

0

2)

Từ hình 1.10 ta thấy dữ liệu và chuỗi trải phổ được nhân với nhau và kết quả tín hiệu trải phổ được điều chế trên một sóng mang để tạo thành tín hiệu băng rộng s(t) ở đầu ra:

)cos(

)()(2)

nhân với chuỗi trải phổ ở bên phát hay gọi là giải trải phổ, để khôi phục lại thông tin

Lý tưởng, trong trường hợp một người sử dụng đơn lẻ, môi trường không fading, không nhiễu, thông tin ban đầu được phát đi và bộ thu có thể giải mã mà không bị lỗi, khi đó dữ liệu sau khi giải điều chế BPSK được giải trải phổ được chỉ ra trong hình 1.10

Hình 1.11: Dạng sóng miền thời gian khi thực hiện giải mã tín hiệu chuỗi trực tiếp

Trên thực tế tín hiệu nhận được sẽ bị thay đổi đo tạp âm, nhiễu do fading đa đường, nhiễu giữa các symbol (ISI) và nhiễu đa người dùng Tín hiệu nhận được này

bị trễ bởi thời gian truyền dẫn môi trường

Hình 1.12 chỉ ra sơ đồ khối bộ thu với kênh có ảnh hưởng tạp âm sử dụng dụng một bộ tương quan để phát hiện tín hiệu phát như sau:

Hình 1.12: Máy thu BPSK DS-SS với kênh AWGN

iT

c b

i b

T i

iT

c b

i

dt t t

n t a T b

dt t t

n t s t a T b

) 1 (

) 1 (

)cos(

)]

()(

*

12

sgn

)cos(

)]

()()[

(

*

1sgnˆ







(1.7)

trị là 1 nếu x > 0 và trả về giá trị là -1 khi x < 0 Trong trường hợp một người sử dụng đơn lẻ qua kênh có tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN), lựa chọn máy thu được chỉ

ra trong hình 1.12 Trong thực tế để thực hiện hệ thống DS-SS cần đưa ra rất nhiều

bởi công thức sau

x Q

1)

(

Là một hàm Gauss Q Ứng dụng của thông tin trải phổ và CDMA sẽ chỉ hiểu quả trong môi trường đa truy cập và đa đường Đa đường được xử lý bằng bộ thu RAKE sẽ được giải thích rõ ở phần tiếp theo

1.7.2 Bộ thu Rake [1]

Kỹ thuật trải phổ có thể lợi dụng tính chất đa đường tại máy thu Điều này có thể thực hiện được với các tín hiệu băng rộng Để giải quyết vấn đề đa đường độc lập chúng ta sử dụng bộ thu RAKE Đây là bộ thu tối ưu cho tín hiệu fading đa đường

băng rộng Các nhánh riêng rẽ tương ứng để giải quyết các đường độc lập Sau đó cần

bộ xử lý để kết hợp các nhánh độc lập lại với nhau

Hình 1.13 Bộ thu Rake với điều chế BPSK

Hình 1.12 chỉ ra sơ đồ khối của bộ thu Rake điều chế BPSK Tín hiệu nhận được

Rake được xử lý riêng rẽ theo từng đường Để tối ưu hiệu quả của bộ thu Rake sử dụng phương pháp kết hợp tỷ số cực đại Ước lượng hệ số của kênh này là liên hợp phức của các hệ số thực tế của các nhánh tương ứng đề bù lại ảnh hưởng của kênh truyền Các tín hiệu trong mỗi nhánh của bộ thu Rake được nhân với chuỗi liên hợp phức xác định như trong hình 1.3 với độ trễ tương ứng của các nhánh Sau khi nén phổ

ứng của hình 1.6 được kết hợp lại để giải mã ra các ký hiệu

1)T (i

t r t

iT

*

* 1)T

(i

iT

* 2

) ( ) ( ) (

1 ) ( ) ( ) ( ) ( sgn

l l

l

dt t

t n t T

dt t

t t

b t T

P

b l

l l

l b

b i

t n t T

b t

1

1)T (i

1 )

( sgn

1.7.3 Chống nhiễu đa truy nhập [1]

Trước đây chúng ta chỉ xem xét kênh truyền cho phép duy nhất một người sử dụng truyền tin Trong phần này chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng đến hệ thống khi nhiều người sử dụng cùng truyền trên một kênh

Đa truy nhập trong DS-CDMA cho phép nhiều người sử dụng khác nhau cùng chia sẻ một độ rộng băng tần hay một kênh Mỗi máy phát và máy thu chủ định được cấp một chuỗi chữ ký Chỉ có máy thu biết được chuỗi chữ ký đó mới có khả năng phát hiện phát hiện dược tín hiệu truyền từ máy phát Xét hệ thống CDMA với K người cùng truyền đồng thời trên một kênh Tương ứng với mô hình hệ thống được chỉ

ra trong hình 1.10 Giả sử ở đây không có hiện tượng đa đường và điều khiển công suất

k j

k h

để tạo ra tín hiệu băng rộng là:

)()()

Trong đó (k)

b

máy thu tín hiệu nhận được với đa người dùng là:

k k

k

P t

r

1

) ( ) ( ) ( ) ( )

)

tương ứng với các người dùng khác nhau, và n(t) là nhiễu tạp âm gauss trắng cộng tính

2 0

1.7.3.1 Nhiễu đường xuống (DL)

Trong đường xuống từ trạm cơ sở tới máy di động Trạm cơ sở phát tín hiệu đồng bộ của tất cả các người sử dụng Do đó tín hiệu trễ tại máy thu của mỗi máy di

từ tín hiệu thu được r(t) bằng sự tương quan của tín hiệu nhận được với mã trải phổ người dùng thứ j là:

iT

j b

j

T b

) 1 (

)*

( )

iT

j K

k

k k

k k

k b b

j

T b

) 1 (

)*

( 1

) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

b

b

b

T i

iT

j b

T i

iT K

j k k

j k k k b b

T i

iT

j j j j b b

dt t a t n T dt t a t a b P T

dt t a t a b P T

) 1 (

)*

( )

1 (

1

)*

( ) ( ) ( ) (

) 1 (

)*

( ) ( ) ( ) (

) ( ) (

1 ) ( ) ( 1

) ( ) (

1 sgn

) ( ) ( )

( ) (

j k k

jk

k i

k b

j i

j

Tín hiệu mong muốn Nhiễu đa truy nhập Tạp âm trắng

iT

k j b

T R

) 1 (

) ( ) ( ( ) ( )1

Sẽ không có nhiễu từ các người dùng khác nếu như các mã trải phổ là hoàn toàn

các mã trực giao với cho số lượng lớn người sử dụng là rất phức tạp Các mã Hadamard sử dụng trong hệ thống IS-95 rất khả thi trong việc đạt được tính trực giao

Walsh-1.7.3.2 Nhiễu đường lên

Ngược lại với đường xuống, trong thực tế hệ thống tín hiệu hoàn toàn trực giao không thể thực hiện được trong đường lên (UL), truyền tín hiệu của những người sử dụng là độc lập nhau Trong CDMA, tất cả các người sử dụng cùng truyền trên cùng

b

T

của phương trình 1.19, giải điều chế của ký hiệu thứ i của người dùng thứ j được thực

j b

Thay phương trình 1.14 vào phương trình 1.28 và giả sử đồng bộ mã tại bộ thu,

j b

j b

j b

( )

( 1) 1

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* ( )

1 ( 1) ( 1) 1

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* ( ) 1

k b

j b j b

k b

( )

( 1)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* ( )

1 ( 1) ( 1)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* ( ) 1

k b

j b j b

k b

j b

tap nhap

truy da nhieu hieu

tin

n R

b R

b

nhap truy

da nhieu hieu

tin muon

ng o m

R b R

b b

b

K j k

j jk

k i

k b K

j k

jk

k i

k b

j

k i

k b j

k i

k b

j i

j b j

i

_ _ _

_ _ _

_

) 0 ( ˆ )

1 (

_ _ _ _

_ _

.

) 1 ( ˆ )

0 ( sgn

ˆ

1

) ( )

( ) ( 1

) ( 1 ) (

1

1

) ( 1 ) ( 1

1

) ( ) ( )

( ) ( )

truyền không đồng bộ được cho bởi công thức sau:

)(

1)

k

j

dt iT

t a t

a T i

b k

j j

b jk

) (

1 ) (

j b

k

T

k b k

j j

b

T i R

b jk

khác

j k khi dt

t a t a T

R

0

) ( ) (

0

0 , 1

) ( ) (

1 )

Khi số lượng người dùng tăng lên, nhiễu MAI cũng tăng theo CDMA có khả năng hạn chế nhiễu MAI Khi băng thông cố định CDMA cho phép thêm người sử dụng còn TDMA và FDMA không thực hiện được mà để thực hiện được thì cần thêm băng thông của hệ thống Có một số phương pháp làm giảm MAI là sử dụng bộ mã hóa thoại, thiết kế mã trải phổ, chuỗi điều khiển công suất, và anten quạt hoặc anten thích nghi

Một vấn đề khác của hệ thống CDMA là sự nhạy cảm với vấn đề xa gần Do sự suy giảm trên đường truyền là khác nhau và ảnh hưởng của fading khác nhau nên công suất thu được của mỗi người dùng cũng khác nhau theo phương trình 1.20 nếu người

dùng thứ j truyền từ biên tế bào và tất cả người dùng khác truyền gần trạm cơ sở, khi

đó tín hiệu mong muốn người dùng thứ j sẽ bị che lấp bởi tín hiệu mạnh hơn của những người dùng khác, dẫn tới tốc độ lỗi bit lớn Để giảm thiểu ảnh hưởng vấn đề xa gần, điều khiển công suất được sử dụng để đảm bảo tín hiệu tất cả các người sử dụng thu được tại máy thu có công suất gần bằng nhau mà không phụ thuộc vào khoảng cách từ máy di động tới trạm cơ sở

Trong kỹ thuật CDMA thì mã trải phổ là một trong những yếu tố quan trọng để

có thể phân biệt được tín hiệu của mỗi người dùng khác nhau Nếu không có mã trải phổ tốt thì không thể tách được tín hiệu của mỗi người dùng riêng biệt, và khả năng chống nhiễu đa đường, và đa truy nhập Tiếp đến chúng ta sẽ nghiên cứu mã trải phổ

1.8 Mã trải phổ [1]

Chúng ta đã biết việc lựa chọn mã trải phổ đóng vai trò rất quang trọng trong hệ thống DS-CDMA Cần tạo ra các chuỗi trải phổ có độ dài lớn để cung cấp cho nhiều người sử dụng trong một cell Các chuỗi trải phổ cũng phải thỏa mãn tương quan chéo thấp để làm giảm nhiễu đa người dùng trong khi giải điều chế Tự tương quan lớn tỷ lệ giữa đỉnh chính và đỉnh thứ 2 của phương trình 1.23 cũng rất cần thiết, để giảm thiểu xác suất lỗi trong khi mã trải phổ được sử dụng lại Điều này cũng làm giảm nhiễu giao thoa giữa các đường độc lập Dưới đây dưa ra một cách tổng quan về một số chuỗi trải phổ khác nhau

1.8.1 Dãy m

được tạo ra dễ dàng bằng một bộ ghi dịch m trạng thái với đường phản hồi tuyến tính được chỉ ra ở hình 1.14

C 1 C 1 C 1 C 1

Đâu ra dãy m

Hình 1.15 Thanh ghi dịch m trạng thái với đường phản hồi tuyến tính

đường phản hồi) thông tin trên đa thức phản hồi bộ ghi dịch dùng để biểu diễn kết nối giữa trạng thái thanh ghi dịch và bộ cộng module 2 Trong ứng dụng trải phổ, dãy nhị phân đầu ra 0 hoặc 1 được ánh xạ thành dãy cực tính tương ứng là -1 hoặc 1 Bảng 1.1

chỉ ra tổng số chuỗi m và đỉnh tương quan chéo được đồng bộ chip với m = 3, 4, 5, 6,

7, 8

Bảng 1.1: Thuộc tính của dãy m và Gold

Khi đó với chuỗi m ta sẽ chọn được các đa thức phản hồi như sau

chu kỳ Đầu ra là tổng của dãy m có cùng chu kỳ hoặc độ dài n, tồn tại một cặp dãy m tại đó mối tương quan chéo đồng bộ chip bằng -1 hoặc -t(m) hoặc [t(m)-2]

chan m

le m m

m

_

_22

12

)

( ( 1)/2

2 / ) 1 (

Cặp dãy m duy nhất này thường được biết đến là cặp mã ưu tiên Một tập các

khi đó thực hiện cộng module 2 của mã khác với mỗi chip được dịch khác nhau Kết

Bảng 1.1 so sánh tổng số dãy Gold với m = 3, 4, 5, 6, 7, 8 với đỉnh tương quan chéo tương ứng với thông số giống như dãy m

Bảng 1.1, chỉ ra các dãy Gold có đỉnh tương quan chéo bằng hoặc thấp hơn khi

so sánh các dãy m khác nhau Có nhiều dãy Gold hơn so với dãy m với tất cả giá trị m Như vậy dãy Gold luôn được ưu tiên sử dụng trong ứng dụng CDMA so với dãy m, mặc dù đỉnh tự tương quan không đồng bộ thấp hơn, với nhược điểm là phải khôi phục

l là độ dài của dãy, khá phức tạp để đồng bộ xung nhịp hệ thống, một dãy m mở rộng

1.8.3 Chuỗi m mở rộng

Dãy m mở rộng được bắt nguồn từ dãy m, được tạo ra bằng thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính, bằng cách thêm một phần tử vào mỗi chu kỳ của dãy m Chúng ta sẽ thực hiện theo ký hiệu, tại đó các dãy nhị phân 0 và 1 được ánh xạ tương ứng thành dãy cực tính là -1 và +1 Để được dãy m mở rộng cân bằng không có thành phần một chiều DC, phần tử được đưa vào phải được lựa chọn để số số -1 và +1 là như nhau Có

Trong CDMA, các hàm Walsh được sử dụng theo hai cách là mã trải phổ hoặc

để tạo ra ký hiệu trực giao Các hàm Walsh được tạo ra bằng các ma trận vuông đặc biệt được gọi là các ma trận Hadamard Các ma trận này có đặc điểm: có một hàng chứa toàn số “0”, và các hàng còn lại có số con số “0” bằng với số con số “1” Hàm

mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hamadard như sau:

1.9 Kết luận chương

Trong chương này đã giới thiệu sơ lược về đặc điểm hệ thống W-CDMA, các

kỹ thuật trải phổ đặc biệt là kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS Với kỹ thuật trải phổ này thì chỉ có máy thu chủ đích mới giải điều chế được tín hiệu và kỹ thuật này cũng giải quyết được vấn đề nhiễu đa đường, nhiễu đường lên và đường xuống sử dụng các mã trải phổ khác nhau để tách tín hiệu Đồng thời trong chương này đưa ra kiến trúc tổng quan hệ thống W-CDMA, trong chương tiếp theo chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu mạng truy nhập UTRAN trong UMTS

IMT-2000 với việc xử lý phổ hiệu quả và hỗ trợ các dịch vụ có tốc độ từ vài kbps lên tới 2 Mbps, IMT-2000 nhằm cung cấp một vùng phủ sóng vô tuyến toàn cầu cho phép chuyển vùng toàn cầu Hệ thống IMT-2000 được thiết kế linh hoạt cho phép hoạt động trong bất kì môi trường truyền dẫn nào chẳng hạn như trong nhà, ngoài trời,

và di chuyển trên xe

Trong phần này chúng ta sẽ làm nổi bất tính năng chính của lớp vật lý của UMTS

2.1 Đặc điểm của UTRAN

Việc phân bố phổ tần cho UTRAN được trình bày trong hình 2.1 Như vậy UTRAN không được sử dụng hết phổ tần cho 3G vì một phần dải tần đã được cho hệ thống viễn thông không dây kĩ thuật số (DECT)

DECT W-CDMA

(TDD)

W-CDMA Uplink (FDD)

MS W-CDMA (TDD)

W-CDMA Downlink (FDD)

MS

Tần số (MHz)

MS:Ứng dụng di động vệ tinh

DECT: Hệ thống viễn thông không dây kỹ thuật số

Hình 2.1 Cấp phép phổ tần cho UTRA

Việc truy nhập vô tuyến hỗ trợ cả FDD (Frequency Division Duplex) và TDD (Time Division Duplex) Hoạt động của FDD và TDD được thể hiện trong hình 2.2

Trong FDD, tín hiệu đường UL và DL được truyền đi bằng cách sử dụng hai

khác, ở chế độ TDD thì các bản tin UL và DL được truyền đi bằng cách sử dụng cùng

thời gian bảo vệ Như hình 2.1 các dải tần từ 1920-1980 MHz và 2110-2170 MHz được phân bổ cho FDD hoạt động ở UL và DL Các thông số được thiết kế cho FDD

và TDD tương thích với nhau để một thiết bị đầu cuối có khả năng truy nhập được các dịch vụ được cung cấp bởi hai chế độ hoạt động FDD và TDD

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của FDD và TDD

Hệ thống UTRAN được hoạt động ở tốc độ chip cơ bản là 3,84Mcps chiếm độ rộng băng tần là 5MHz, khi sử dụng bộ lọc Nyquist với hệ số cắt 0,22 Yêu cầu của hệ thống UTRAN 3G cho phép tốc độ bit người sử dụng có thể lên tới 2Mbps Các dịch

vụ khác nhau có tốc độ bit và QoS khác nhau có thể dễ ràng thực hiện được bằng việc

sử dụng bộ mã hóa với hệ số trải phổ thay đổi (OVSF) sẽ được đưa ra trong phần 2.4 Một đặc tính quan trọng của hệ thống UTRAN, mà thế thệ 2G hệ thống IS-95 không

có là sử dụng chuỗi pilot đặc biệt kết hợp vào dữ liệu người sử dụng Ngoài ra kênh hoa tiêu vẫn được sử dụng trong trường hợp các ký hiệu pilot không có tác dụng

2.2 Kênh truyền tải (Transport channel)

Kênh truyền tải được sử dụng ở lớp vật lý kết nối với các lớp cao hơn trong mô hình OSI, Các kênh truyền tải riêng DCH có liên quan tới một liên kết MS - BS cụ thể,

và nó được sử dụng để mang thông tin người sử dụng và thông tin điều khiển giữa mạng và máy di động Mô hình OSI và được phân thành 2 nhóm chính Do đó, các kênh dành riêng là kênh 2 hướng Trong nhóm kênh truyền tải chung bao gồm có 6 loại được chỉ ra trong bảng 2.2

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của UTRAN

Dựa trên kênh hoa tiêu dùng chung

TDD đồng bộ

Vòng hở (TDD UL)

Chuyển giao giữa các tần số

Bảng 2.2 Các kênh truyền tải UTRAN

Kênh truyền tải dành riêng (DCH) Kênh truyền tải chung

Kênh dành riêng (DCH) (UL/DL) Kênh quảng bá (BCH) (DL)

Kênh truy nhập đường xuống (FACH) (DL) Kênh tìm gọi (PCH) (DL)

Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH) (UL) Kênh gói chung đường lên (CPCH) (UL) Kênh đường xuống dùng chung (DSCH) (DL)

Kênh quảng bá (BCH- Broadcast CHannel) được sử dụng để mang thông tin hệ thống về tế bào cụ thể trên DL tới tất cả các máy di động trong tế bào

Kênh truy nhập đường xuống (FACH- Forward Access CHannel) mang thông tin điều khiển và các dữ liệu gói của người sử dụng đến MS

Kênh tìm gọi (PCH-Paging CHannel) được sử dụng để mang thông tin điều khiển đến một MS

Các kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH - Random Access CHannel) là kênh UL được sử dụng bởi MS để mang thông tin điều khiển và dữ liệu nhỏ người sử dụng cho

Tương tự như cấu trúc khung TDMA trong GSM, ở GSM mỗi người dùng được cấp một khe thời gian riêng biệt, trong W-CDMA số lượng nười sử dụng đồng thời là tùy thuộc vào tốc độ bit yêu cầu của người sử dụng và hệ số trải phổ Các MS có thể truyền liên tục trong tất cả các khe thời gian hoặc gián đoạn

Hình 2.3 Cấu trúc kênh vật lý UTRAN

Như đã thấy ở hình 2.3, mỗi khung vô tuyến có 15 khe thời gian Khoảng thời gian cho mỗi khe thời gian là 2/3ms, khoảng thời gian cho một khung là 10ms Cấu trúc thông tin trong các khe thời gian của các kênh vật lý là khác nhau trong UL và DL nhưng độ dài khung (10ms) là như nhau ở chế độ TDD và FDD

Khung #1 Khung #2 Khung (10 ms)

Khe thời gian #1 Khe thời gian #2 Khe thời gian #15

Khe thời gian(2/3ms)

Trong chế độ FDD, một kênh vật lý DL được xác định bởi mã trải phổ và tần số tương ứng Ở UL được ghép thành nhánh (I) và (Q) được sử dụng để truyền đồng thời

dữ liệu và thông tin điều khiển

Mặt khác, ở chế độ TDD một kênh vật lý được xác định bởi mã trải phổ, tần số,

và khe thời gian của nó

Bảng 2.3 Ánh xạ kênh truyền tải của bảng 2.2 vào các kênh vật lý UTRAN

Tương tự như các kênh truyền tải của bảng 2.2 các kênh vật lý trong UTRAN cũng có thể được phân thành 2 loại là kênh dành riêng và kênh chung Bảng 2.3 trình bày các loại kênh vật lý và tương ứng là ánh xạ kênh truyền tải lên các kênh vật lý trong UTRAN

2.3.1 Dedicated Physical Channels - Kênh vật lý dành riêng

Các kênh vật lý dành riêng của UTRAN được trình bày trong bảng 2.3 bao gồm kênh dữ liệu vật lý dành riêng (DPDCH) và kênh điều khiển vật lý dành riêng (DPCCH), cả hai đều là kênh UL/DL Cấu trúc khe thời gian của các kênh vật lý dành riêng UL và DL được chỉ ra trong hình 2.4 và hình 2.5

Mặt khác, các DPDCH và DPCCH trên UL được truyền song song trên 2 nhánh

I và Q, sẽ được thể hiện rõ hơn ở hình 2.21

Các kênh DPDCH được sử dụng để truyền thông tin DCH giữa BS và MS, trong khi DPCCH được sử dụng để truyền các thông tin lớp 1, bao gồm cả các bit hoa tiêu, các lệnh điều khiển công suất phát (TPC) và chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải (TFCI) như hình 2.4 và 2.5 Ngoài ra, trên UL các thông tin phản hồi (FBI) là được ánh xạ tới các DPDCH trong hình 2.4

Các kênh vật lý dành riêng Các kênh truyền tải

Kênh điều khiển vật lý dành riêng (DPCCH) (UL/DL)

Các kênh vật lý dùng chung Các kênh truyền tải

Kênh hoa tiêu dùng chung (CPICH) (DL)

2/3ms, 10x2 k bit (k =0 6)

UL DPDCH

Hình 2.5: Cấu trúc khe thời gian các kênh vật lý dành riêng UTRAN DL FDD

Các lệnh TPC hỗ trợ điều khiển công suất nhanh và được trình bày chi tiết trong phần 2.8 TFCI mang thông tin liên quan đến các thông số tức thời của các kênh truyền tải được ghép trên kênh vật lý trong khung vô tuyến liên quan FBI sử dụng để cung cấp dung lượng với sự trợ giúp của kỹ thuật phân tập phát Các trường FBI được chia thành 2 trường nhỏ gọi là trường S và trường D Trường S được sử dụng hỗ trợ phân tập lựa chọn vị trí (SSDT), để làm giảm một phần nhiễu gây ra do truyền dẫn đa đường trong khi thực hiện chuyển giao mềm trong khi vẫn hỗ trợ lựa chọn tế bào Trong trường hợp khác, trường D được sử dụng để cung cấp thông tin sự suy giảm và pha để thuận lợi trong phân tâp phát vòng kín được đưa chi tiết trong phần 2.8.1

gian, tương ứng với tốc độ bit của kênh vật lý Vì vậy tốc độ bit cho các kênh đường

một cụm 2/3ms với k = 0, , 6 Với các kênh đường lên DPCCH có tốc độ bit là 15kbps

Tương tự ở các kênh đường xuống, tốc dộ bit cho kênh đường xuống DPCH là 15/30/60/120/240/480/960 và 1920 kbps Tuy nhiên, khi dữ liệu người sử dụng là ghép kênh thời gian với thông tin điều khiển lớp 1, thực tế tốc độ dữ liệu người sử dụng ở

DL sẽ thấp hơn

2.3.2 Common Physical Channels – Các kênh vật lý dùng chung

a Kênh vật lý dùng chung theo mode FDD

Theo bảng 2.3 các kênh vật lý chung thì gồm các loại sau