Đồ án tốt nghiệp - Nghiên cứu triển khai mạng thông tin di động thế hệ 2GSM lên thế hệ 3WCDMA

Điện thoại di động là một trong những thành tựu nổi bật về công nghệ viễn thông. Kể từ khi có sự ra đời của chiếc điện thoại, vị trí của nó trên thị trường đã phát triển một cách chóng mặt, từ một thiết bị mang tính chuyên dụng cho tới thiết bị thiết yếu cho cuộc sống và kinh doanh. Qua những thập niên gần đây sự phát triển vượt trội về công nghệ và dịch vụ kết hợp với giảm giá thành đáng kể của các loại hình dịch vụ, thông tin di động đã phát triển không ngừng, nó mang lại cho Người sử dụng nhiều lợi ích không thể phủ nhận được. Cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật hiện đại, sự đổi mới công nghệ, thông tin di động cũng phải phát triển theo hướng tích cực, cùng với sự phát triển đó xu hướng tiến lên 3G là tất yếu đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới. Những nhà cung cấp dịch vụ ví dụ như GSM muốn lợi dụng những ưu điểm của GSM cùng với cơ sở hạ tầng của nó để chuyển sang WCDMA. Thiết bị đầu cuối của thế hệ 3G thích hợp cả công nghệ GSM và WCDMA nên khách hàng có thể sử dụng một cách linh hoạt và mềm dẻo khi di chuyển giữa các vùng phủ sóng của GSM và WCDMA. Tuy nhiên do tích hợp cả công nghệ GSM - WCDMA nên nhà sản xuất thiết bị và nhà cung cấp dịch vụ 3G phải có một cơ chế chuyển giao giữa hai công nghệ. Tại Việt Nam hiện nay có 6 nhà cung cấp dịch vụ di động: - Mobilefone, Vinaphone, Viettel sử dụng công nghệ GSM - HT Mobile, S-fone, EVN telecom sử dụng công nghệ CDMA. Các nhà cung cấp dịch vụ này mang lại cho khách hàng nhiều sự lựa chọn, các nhà cung cấp dịch vụ này muốn chiếm được thị phần ngoài việc phải giảm giá thành dịch vụ phải tiến hành cải tiến công nghệ để đem lại cho khách hàng nhiều những dịch vụ tiện ích hơn. Do đó xu hướng phát triển lên 3G là xu hướng tất yếu. Đồ án có tên là: "Nghiên cứu triển khai mạng thông tin di động thế hệ 2GSM lên thế hệ 3WCDMA".

lời mở đầu

Điện thoại di động là một trong những thành tựu nổi bật về côngnghệ viễn thông Kể từ khi có sự ra đời của chiếc điện thoại, vị trí của nótrên thị trờng đã phát triển một cách chóng mặt, từ một thiết bị mang tínhchuyên dụng cho tới thiết bị thiết yếu cho cuộc sống và kinh doanh

Qua những thập niên gần đây sự phát triển vợt trội về công nghệ vàdịch vụ kết hợp với giảm giá thành đáng kể của các loại hình dịch vụ, thôngtin di động đã phát triển không ngừng, nó mang lại cho Ngời sử dụng nhiềulợi ích không thể phủ nhận đợc Cùng với sự phát triển không ngừng của kỹthuật hiện đại, sự đổi mới công nghệ, thông tin di động cũng phải phát triểntheo hớng tích cực, cùng với sự phát triển đó xu hớng tiến lên 3G là tất yếu

đã đợc triển khai tại nhiều nớc trên thế giới

Những nhà cung cấp dịch vụ ví dụ nh GSM muốn lợi dụng những u

điểm của GSM cùng với cơ sở hạ tầng của nó để chuyển sang WCDMA

Thiết bị đầu cuối của thế hệ 3G thích hợp cả công nghệ GSM vàWCDMA nên khách hàng có thể sử dụng một cách linh hoạt và mềm dẻokhi di chuyển giữa các vùng phủ sóng của GSM và WCDMA Tuy nhiên dotích hợp cả công nghệ GSM - WCDMA nên nhà sản xuất thiết bị và nhàcung cấp dịch vụ 3G phải có một cơ chế chuyển giao giữa hai công nghệ

Tại Việt Nam hiện nay có 6 nhà cung cấp dịch vụ di động:

- Mobilefone, Vinaphone, Viettel sử dụng công nghệ GSM

- HT Mobile, S-fone, EVN telecom sử dụng công nghệ CDMA

Các nhà cung cấp dịch vụ này mang lại cho khách hàng nhiều sự lựachọn, các nhà cung cấp dịch vụ này muốn chiếm đ ợc thị phần ngoài việcphải giảm giá thành dịch vụ phải tiến hành cải tiến công nghệ để đem lạicho khách hàng nhiều những dịch vụ tiện ích hơn Do đó xu h ớng phát triển

lên 3G là xu hớng tất yếu Đồ án có tên là: "Nghiên cứu triển khai mạng thông tin di động thế hệ 2GSM lên thế hệ 3WCDMA".

1

Đồ án gồm có 4 chơng:

Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G

Chơng này trình bày về tình hình thị trờng và xu hớng phát triển lên3G trên thế giới, các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3, lýthuyết liên quan tới công nghệ WCDMA

Để hoàn thành đồ án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn kể đến sự

đóng góp của nhiều ngời Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo Tr ờng Đại học Phơng Đông, các thầy cô giáo trong khoa CNTT, những ng ời

-đã dậy dỗ em trong suốt thời gian em học tập tại trờng Em xin gửi lời cảm

ơn đặc biệt tới thầy giáo PGS.TS Thái Hồng Nhị đã tận tình hớng dẫn emtrong suốt thời gian em làm đồ án tốt nghiệp

2

Chơng 1 tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G

1.1 Tình hình thị trờng thông tin di động trên thế giới

1.1.1 Sự tăng trởng của thị trờng hiện nay

Ngày nay có tới hơn 574 mạng GSM đang hoạt động tại 190 ớc/vùng lãnh thổ trên thế giới Thêm vào đó là số lợng lớn ngời sử dụng hệthống PDC của Nhật, các chuẩn D-AMPS và CDMA

n-Cho tới nay có khoảng 3.8 tỷ thuê bao di động trên toàn cầu, khoảnghơn 2.17 tỷ trong số đó là thuê bao sử dụng công nghệ SGM Rất nhiềutrong số họ sẽ bắt đầu sử dụng truy nhập vô tuyến cho các ứng dụng số liệu

ví dụ nh nhắn tin, truy nhập mạng LAN, truy nhập Internet, Intranet, hộinghị truyền hình, gửi và nhận ảnh chất lợng cao

Hình 1.1: Phân bố thuê bao di động trên thế giới

Mạng thông tin di động 2G đã rất thành công trong việc cung cấp dịch

vụ tới ngời sử dụng trên toàn thế giới, nhng số lợng ngời sử dụng tăng nhanhhơn nhiều so với sự kiến ban đầu Có thể đa ra các thống kê về sự tăng trởngcủa thị trờng di động phân đoạn theo công nghệ nh hình 1.2

3

GSM

PDC

Hình 1.2: Sự tăng trởng thị trờng di động phân loại theo công nghệ

Đối với các nớc phát triển, tỷ lệ ngời sử dụng điện thoại di động đợc dự

đoán sẽ rất cao trong những năm tới, một ngời sử dụng nhiều máy di độngphục vụ cho các mục đích khác nhau Tất cả kết quả và dự báo này gợi ý mộttiềm năng rất lớn cho các thuê bao di động tại Việt Nam

1.1.2 Thị trờng tiềm năng

Bên cạnh những thuê bao di động truyền thống hiện nay, có thể tin tởngrằng rất nhiều máy di động có thể đợc thiết kế đặc biệt phục vụ cho các mục

đích khác nhau giao dịch, thông tin chỉ dẫn điểm tới điểm, điểm tới trung tâm

Nh vậy tiềm năng thị trờng sẽ trở nên rất lớn

Về nhu cầu truyền số liệu trên mạng cố định toàn cầu, tỷ lệ lu lợngthông tin số liệu tăng nhanh hơn thông tin thoại và đợc dự báo sẽ chiếm tới50% tổng lu lợng trên một số mạng cố định Tại các khu vực nh vậy, Internet

đã trở thành yếu tố chủ đạo Internet đã mở ra một hớng mới trong việc sửdụng sức mạnh của máy tính trên các lĩnh vực thơng mại và giải trí

Thị trờng số liệu trên mạng di động đợc dự báo sẽ chiếm khoảng 50%tổng lu lợng trong vòng 10 năm tới

4

Một điểm đáng chú ý là Internet và mạng điện thoại số có cùng mộthình mẫu phát triển, bởi vậy có thể tiên đoán rằng Internet qua mạng vô tuyếncũng sẽ là một tiềm năng và có cùng một hình mẫu nh vậy nếu cung cấp đợcdịch vụ và ứng dụng hợp lý.

Mặt khác, khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển,không chỉ số lợng ngời sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trờng,

mà ngời sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch

vụ cuộc gọi và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng 2G Nhu cầucủa thị trờng có thể phân loại thành các lĩnh vực sau:

 Dịch vụ dữ liệu máy tính (Computer Data)

+ Số liệu máy tính (Computer Data)

+ E-mail

+ Truyền hình ảnh thời gian thực (Real time image transfer)

+ Đa phơng tiện (Multimedia)

+ Tính toán di động (Computing)

 Dịch vụ viễn thông (Telecommunication)

+ Di động (Mobility)

+ Hội nghị truyền hình (Video conferencing)

+ Điện thoại hình (video Telephony)

+ Các dịch vụ số liệu băng rộng (Wide band data services)

 Dịch vụ nội dung âm thanh hình ảnh (Audio - videocontent)

+ Hình ảnh theo yêu cầu (Video on demand)

+ Các dịch vụ tơng tác hình ảnh (Interactive video services)

+ Th điện tử (Electronic newspaper)

+ Mua bán từ xa (Teleshopping)

+ Các dịch vụ Internet giá trị gia tăng (Value added internet services)+ Dịch vụ phát thanh và truyền hình (TV& Radio contributions)

5

1.2 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba

1.2.1 Các yêu cầu chung

Thông tin di động thế hệ 3 phải là hệ thống thông tin di động cho cácdịch vụ di động truyền thông cá nhân đa phơng tiện Hộp th thoại sẽ đợc thaythế bằng bu thiếp điện tử đợc lồng ghép với hình ảnh và các cuộc gọi thông th-ờng trớc đây sẽ đợc bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình Dới đây

là một số các yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba này:

 Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phơng tiện,nghĩa là mạng phải đảm bảo đợc tốc độ bít lên tới 2 Mbps phụ thuộcvào tốc độ di chuyển của máy đầu cuối: 2Mbps dự kiến cho các dịch

vụ cố định, 384 Kbps khi đi bộ và 144 Kbps khi đang di chuyển tốc

độ cao

 Mạng có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung l ợng) theo yêucầu Điều này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bít của các dịch vụkhác nhau Ngoài ra cần phải đảm bảo đờng truyền vô tuyến không

đối xứng, chẳng hạn với tốc độ bít cao ở đờng xuống và tốc độ bítthấp ở đờng lên hoặc ngợc lại

 Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, nghĩa là đảmbảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khảnăng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu

 Chất lợng dịch vụ phải không thua kém chất lợng dịch vụ mạng cố

định, nhất là đối với thoại

 Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thôngtin vệ tinh

 Bộ phận tiêu chuẩn của ITU - R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT

- 2000 IMT - 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ

và bao phủ một vùng rộng lớn các môi trờng thông tin Mục đích củaIMT - 2000 là đa ra nhiều khả năng mới nhng cũng đồng thời đảmbảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)vào những năm 2000 Thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) xây dựng

6

trên cơ sở IMT - 2000 đã đợc đa vào hoạt động năm 2001 Các hệthống 3G cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: Thoại, sốliệu tốc độ bit thấp và bit cao, đa phơng tiện video cho ngời sử dụnglàm việc cả môi trờng cộng đồng lẫn t nhân (vùng công sở, vùng dân

c, phơng tiện vận tải )

1.2.2 Các tiêu chuẩn xây dựng IMT - 2000

 Sử dụng dải tần quốc tế 2GHZ:

+ Đờng lên (1885 - 2005) Mhz

+ Đờng xuống (2110 - 2200) Mhz

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

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

+ Tơng tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trờng khai thác khác nhau:

+ Môi trờng thơng trú ảo (VHE) trên cơ sở mạng thông minh, di

động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

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

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện:

Môi trờng hoạt động của IMT - 2000 đợc chia làm 4 vùng với các tốc

độ bít Rb phục vụ nh sau:

+ Vùng 1: trong nhà, picocell, Rb ≥ Mbps

7

+ Vùng 2: thành phố, microcell, Rb ≤ 384 Kbps

+ Vùng 3: ngoại ô, macrocell, Rb ≤ 144kbps

+ Vùng 4: toàn cầu, Rb = 9,6 Kbps

Có thể tổng kết các dịch vụ do IMT - 2000 cung cấp ở bảng 1.1 dới đây

- Dịch vụ âm thanh chất lợng cao (16-64Kbps)

- Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 Kbps)

- Dịch vụ truyền thanh FM (64 - 144 Kbps)

Dịch vụ số liệu

- Dịch vụ số liệu trung bình (64 - 144Kbps)

Dịch vụ số liệu tốc độ tơng đối cao (144Kbps) 2Mbps)

Dịch vụ số liệu tốc độ cao ( ≥2Mbps)

thời gian thực - Dịch vụ Website đa phơng tiện thời gian thực(2Mbps)

Bảng 1.1: Phân loại các dịch vụ ở IMT - 2000

Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3, các

tổ chức quốc tế sau đây đợc hình thành dới sự điều hành chung của ITU:

 3GPP: Bao gồm các thành viên sau:

+ TSI: Châu Âu; TTA: Hàn Quốc; ARIB, TTC; Nhật, T1P1: Mỹ

 3GPP2: Bao gồm các thành viên sau:

+ TIA, T1P1: Mỹ; TTA: Hàn Quốc; ARIB, TTC: Nhật

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

8

 WCDMA đợc xây dựng từ 3GPP.

 Cdma 2000 đợc xây dựng từ 3GPP2

Hai hệ thống đều sử dụng công nghệ CDMA bắt đầu đợc đa vào hoạt

động trong những năm đầu của thập kỷ 2000, điều này cho phép thực hiệntiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ ba

WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA nh GSM, PDC, IS-135, cdam 2000

là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụngcông nghệ CDMA: IS - 95

Hình 1.3 Mô hình mạng IMT 2000

Ký hiệu: TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối

UI (User Interface): Giao diện ngời sử dụng

Châu Âu sử dụng hệ thống thế hệ thứ hai là DSC 1800 ở băng tần (1710

- 1755) Mhz cho đờng lên và (1805 - 1850) Mhz cho đờng xuống ở Châu Âu

và hầu hết các nớc Châu á băng tần của AMT 2000 là 2 x 60Mhz (1920

-9

1980 Mz cộng với 2110 - 2170 Mhz) có thể sử dụng cho WCDMA FDD.Băng tần sử dụng cho TDD ở Châu Âu thay đổi, băng tần đợc cấp theo giấyphép có thể là 25Mhz cho sử dụng TDD ở (1900 - 1920) và (2020 - 2025)Mhz Băng tần cho các ứng dụng TDD không cần xin phép (SPA - SelfProvieded Application: ứng dụng tự cấp) có thể là (2010- 2020) Mhz Các hệthống FDD sử dụng các băng tần khác nhau cho đờng lên và đờng xuống vớiphân cách là khoảng cách song công, còn các hệ thống TDD sử dụng cùng tần

số cho cả đờng lên và đờng xuống

Nhật sử dụng hệ thống thế hệ hai là PDC, còn Hàn Quốc sử dụng hệthống thế hệ hai là IS - 95 cho cả khai thác tổ ong lẫn PDS ấn định phổ PCS ởHàn Quốc khác với ấn định phổ PSC ở Mỹ, vì thế Hàn Quốc có thể sử dụngtoàn bộ phổ tần quy định của IMT - 2000 ở Nhật một phần phổ IMT - 2000TDD đợc sử dụng cho PHS (hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân)

ở Mỹ không còn phổ mới cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba Cácdịch vụ của thế hệ ba sẽ đợc thực hiện trên cơ sở thay thế phổ tần của hệthống thông tin thế hệ ba bằng phổ tần của hệ thống PCS thế hệ hai hiện tại

ở Trung Quốc phổ tần dành trớc cho PSC và WLL sử dụng một phầnphổ tần của IMT - 2000 mặc dù chúng cha đợc ấn định cho hãng khai thácnào Theo quyết định về phân định tần số, sẽ có đến 2 x 60 Mhz đ ợc sửdụng cho WCDMA ở Trung Quốc Phổ tần cho TDD cũng sẽ đ ợc sử dụng ởTrung Quốc

Cả nớc đã bắt đầu xin giấy phép cho sử dụng phổ tần của IMT - 2000.Giấy phép đầu tiên đợc cấp cho Phần Lan vào 03/1999, sau đó là Tây BanNha Một số nớc cũng có thể đi theo quan điểm cấp phép giống nh GSM đợccấp phép ở Châu Âu Tuy nhiên, một số nớc ban đầu giá phổ tần cho IMT -

2000 giống nh Mỹ bán đấu giá phổ tần cho PCS (nớc Anh chẳng hạn)

1.3 Trải phổ trong hệ thống thông tin di động

1.3.1.Nguyên tắc trải phổ trong CDMA

10

Xuất phát từ nhu cầu thông tin quân sự, kỹ thuật trải phổ đợc nhìn từhai góc độ: Tăng độ chống nhiễu trong môi trờng truyền dẫn có nhiễu loạn vô

ý, nhiễu loạn cố ý và tìm các thuật toán để tăng hiệu quả gây cán nhiễu chocác hệ thống thông tin xung quanh Cuối những thập kỷ 90, các hệ thốngthông tin vô tuyến phát triển một cách mạnh mẽ, hầu nh các băng tần vô tuyến

đều bị chật, từ đó dẫn đến cán nhiễu mạnh giữa các hệ thống, hay còn đợc gọi

là giao thoa giữa các hệ thống

Với các dịch vụ viễn thông mới ra đời, tốc độ truyền dẫn không ngừngtăng lên, trong lúc các tham số của môi trờng vật lý biến đổi ngẫu nhiên docác tác động bên ngoài gây ra hiện tợng truyền lan nhiều tia, hiện tợng chekhuất ảnh hởng của chúng đối với truyền tín hiệu biểu hiện dới dạng fading.Hạn chế các hiện tợng đó là một trong những bài toán cơ bản của các côngtrình nghiên cứu lý thuyết: điều chế, mã hoá, cân bằng Một trong những kếtquả quan trọng là đa công nghệ trải phổ vào ứng dụng trong thông tin thơngmại, mở ra hớng phát triển mới, đặc biệt trong thông tin di động

Có thể nói "trải phổ" là một kỹ thuật thực hiện điều chế lại tín hiệu đã

điều chế, tạo ra tín hiệu giao thoa với các tín hiệu đang cùng hoạt động trongmột băng tần nhng máy thu vẫn tách đợc tín hiệu mong muốn với đặc tínhchất lợng lỗi đã cho Để đạt đợc điều đó, điều chế trải phổ phải giảm mật độcông suất phát xuống dới mức nhiễu nhiệt của bất kỳ máy thu nào

Kỹ thuật trải phổ không những đợc ứng dụng trong thông tin quân sự,

ra đa mà nay đã và đang phát triển mạnh mẽ trong thông tin thơng mại: viba,

di động, đa truy nhập, vệ tinh cũng nh thông tin sợi quang đa mode

1.3.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp

Tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS) là tín hiệu trong đó biên độ của tínhiệu đã điều chế đợc điều biên với một dòng số liệu nhị phân NRZ tốc độ rấtcao Nh vậy, nếu tín hiệu ban đầu là s(t) có dạng BPSK:

t t

d p t

s( )  2 s ( ) cos 0 (1.1)Thì tín hiệu trải phổ DS là:

11

t t

d t g t

s t g

t) ( ) ( ) 2s ( ) ( ) cos 0

ở đây g(t) là dãy nhị phân ngẫu nhiên giả tạp âm (PN) có các giá trị

1, có chu kỳ rất dài Dãy (PN) lý tởng phải thật sự ngẫu nhiên, không tơngquan Trong thực tế, không thể tạo ra đợc các dãy nh vậy, tốc độ ký hiệu củag(t) thờng lớn hơn rất nhiều so với tốc độ bít fb của d(t), chúng ta nói g(t) đãbăm nhỏ các bít số liệu thành các nhịp và gọi tốc độ của g(t) là tốc độ chip fc

Nhân dãy BPSK s(t) với g(t) sẽ làm trải phổ dãy s(t) Trên hình 1.4 cóthể thấy dãy số liệu d(t), dãy giả ngẫu nhiên g(t), dãy tích d(t) g(t) Các sờncủa d(t) và g(t), các sờn của g(t) đợc đồng chỉnh, nghĩa là mỗi thời điểmchuyển tiếp của d(t) trùng với thời điểm chuyển tiếp của g(t)

Dãy tích gần giống với g(t), nếu g(t) thực sự là ngẫu nhiên thì dãy tích

sẽ là một dãy ngẫu nhiên khác g'(t) có cùng tốc độ chip fc nh g(t) Độ rộngbăng của tín hiệu BPSK s(t) thờng bằng 2fb, độ rộng băng của tín hiệu trải phổBPSK là 2fc và phổ đợc trải với hệ số fc/fb Vì công suất của s(t) và e(t) làgiống nhau và bằng Ps nên mật độ phổ công suất Gs(t) giảm đi một lợng fb/fc

Để khôi phục lại tín hiệu trải phổ DS, đầu tin máy thu nhận tín hiệu vàovới dạng sóng g(t), sau đó nhân sóng mạng 2 cos  0t sau đó đa qua bộ tíchphân với khoảng thời gian tích phân bằng khoảng thời gian 1 bít và sau đó đầu

12

ra đợc lấy mẫu cho ta số liệu d(kTb) Để khôi phục đợc chính xác số liệu ban

đầu, đầu thu cần tái tạo lại sóng mang hình sin tần số  0và dạng sóng PN làg(t)

) (

1.3.1.2 Sử dụng trải phổ trong CDMA

Một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật trải phổ là tạo ranhững phơng thức thông tin đã truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Ưu

điểm cơ bản của hệ thống CDMA là giảm đến mức bé nhất giao thoa giữa các

hệ thống tín hiệu khác nhau

Trong CDMA, mỗi ngời dùng sử dụng một dãy PN khác nhau, hầu nhkhông tơng quan với nhau Để miêu tả nguyên lý hoạt động của CDMA, coitại mỗi thời điểm đã cho, mỗi ngời dùng truyền số liệu ở cùng một tần số sóngmang f0, nếu trải phổ DS thì mã xác định của nó là gi(t) Nh vậy, mỗi máy thu

d t g p t

) cos(

) ( ) ( 2 )

Với giả thiết mỗi tín hiệu có cùng một công suất thu ps, mỗi dãy giảngẫu nhiên gi(t) có cùng tốc độ chip fc và di(t) là số liệu đợc phát đi của ngờidùng thứ i Tốc độ số liệu của mỗi ngời dùng giống nhau fb, ilà pha ngẫunhiên, độc lập thống kê với nhau Để đơn giản ta bỏ qua nhiễu nhiệt

Trong hệ thống k ngời dùng, mỗi ngời dùng cần một bộ tơng quan ởmáy thu thứ nhất, nhân tín hiệu ở phơng trình (1.1) với gi(t) và nhân với

13

Tích phân

) cos(

2 0t i để tạo ra tín hiệu  01 đa sang mạch tích phân và quyết định.Rút các thành phần ấy ra khỏi  01 ta có:

Giả thiết tất cả gi đợc truyền cùng một lần Trong trờng hợp này nếu đặt

g1(t) gi(t) = gli(t); cũng vậy cos (i   1) = cos li Phơng trình (1.4b) trở thành:

b c

s

f

p l k f

4 ) ( )

f

f k

erfe p

1

1 2 2

 k j

f b

Trong (1.3) giả thiết mỗi tín hiệu đã phát đi đến máy thu có cùng côngsuất ps Khi công suấtthu đợc của mỗi ngời dùng không mong muốn lớn hơnnhiều so với ngời dùng mong muốn thì lúc đó có thể xuất hiện lỗi Điều nàyxảy ra nếu không giải quyết tốt vấn đề gần - xa Đây cũng là một vấn đề hạnchế việc sử dụng các hệ thống DS hiện có nếu bài toán điều khiển công suấtkhông đợc giải quyết triệt để

1.3.2 Mã giả tạp âm PN

14

Để trải phổ cần có một dãy tín hiệu giả tạp âm PN, về lý thuyết đó phải

là một dãy thực sự ngẫu nhiên giống nh Gauss, nhng thực tế do ràng buộc của

kỹ thuật và công nghệ nên chỉ tạo ra các dãy giả ngẫu nhiên có chu kỳ lặp lại

ở giới hạn nào đó phụ thuộc vào độ dài của bộ ghi dịch tạo ra chúng và cấutrúc các đờng liên kết Hình 1.6 biểu thị một bộ tạo dãy PN tổng quát

Hình 1.6 - Bộ tạo dãy PN

Trạng thái của các dãy PN đợc xác định bằng các giá trị logic của các

bộ ghi dịch, độ dài của dãy đợc xác định bằng:

) ( ) ( ) (i g i j g i k

Sử dụng thuật toán EX - OR cho từng chip để tạo nên dãy g(i) và g(i+j)

nh (1.10) Nếu đặc trng cho hai trạng thái logic 1 và 0 là các điện áp + 1v và 1v tơng ứng thì theo (1.10) có:

-g(i) x g(i+j) = -g(i+k) (1.11)Tính tơng quan của dãy PN: Nếu d(t) là dãy số liệu ngẫu nhiên thì hàmtơng quan Rd(ﻊ) = {d(t)d(t+ﻊ)} (1.12)

Và có dạng nh trên hình 1.7 với d(t) = 1v Hàm tự tơng quan của dãy

PN là:

15

RPN(ﻊ) = E{g(t)g(t+ﻊ)}

Rd(t)1

-Tc 0 Tc t

Hình 1.7: Hàm tự tơng quan của số liệu ngẫu nhiên d(t)

Với g(t) có giá trị  1v Mong muốn RPN(0) = 1 Bây giờ chúng ta tính

RPN(ﻊ) với ﻊ = nTc, n là số nguyên và Tc là khoảng thời gian chip Từ (1.11) tacó: RPN (ﻊ=nTc) = E{g(t)g(t+nTc)} = E{-g(t+kTc)} (1.14)

Với g(t+kTc) là dãy PN và dĩ nhiên L chip có logic 1 lớn hơn số con số

0 là 1 Do đó giá trị trung bình của -g(t+kTc) là -1/L nh hình 1.8 Cuối cùng, vìdãy có chu kỳ là LTc nên RPN (ﻊ) cũng có chu kỳ nh vậy

Mật độ phổ công suất: Mật độ phổ công suất của dãy PN GPN (f) là biến

đổi Fourier của RPN (ﻊ) Vì RPN (ﻊ) là tuần toàn với chu kỳ LTc nên GPN (f) sẽbao gồm các xung tại các điểm n(1/LTc) với n = 0, 1, 2 Thành phần GPN(0)biểu thị thành phần dc của dãy PN Trong một dãy g(t) có L chip thì số logic 1lớn hơn số logic 0 là 1, do đó điện áp dc của g(t) là V/L với công suất dc đợcchuẩn hoá là V2/L2, do đó GPN (0) = (V2/L2) (f) Cuối cùng, nếu g(f) là ngẫunhiên thực sự thì mật độ phổ công suất của nó có dạng:

[(sin лf/tc)/ (лf/fc)]2 Từ GPN (ﻊ) suy ra:

GPN(f)

2 2

2

2

) / (

/ (

sin ) (

f i j L

V f L

V

c

c i

Hình 1.9: Mật độ phổ công suất của dãy PN

17

1.3.3 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp BPSK

Dạng đơn giản nhất của trải phổ DS sử dụng điều chế trải phổ là điềuchế dịch pha nhị phân (BPSK) Điều chế BPSK lý tởng tạo ra sự biến đổi phatức thời của sóng mang 1800 và về mặt toán học có thể đợc biểu thị bằng phépnhân sóng mang với hàm c(t) có giá trị  1 Xét một sóng mang đã điều chế

số liệu đờng bao không đổi có công suất là P, tần số sóng mạng  0và điềuchế pha d(t) xác định bởi:

)]

( cos[

2 )

Tín hiệu này chiếm một băng thông thờng từ một nửa đến gấp đôi tốc

độ số kiệu trớc trải DS mà sự trải này phụ thuộc vào các chi tiết của điều chế

số liệu Trải BPSK thực hiện bằng cách nhân Sd(t) với hàm c(t), hình 1.10 môtả bộ phát trải phổ dãy trực tiếp Tín hiệu phát đi là:

)]

( cos[

) ( 2 )

Tiến hiệu trong (1.17) đợc truyền qua một đờng truyền có méo với trễtruyền dẫn Td Tín hiệu thu đợc cùng với giao thoa và tạp âm Gaussian Mộtphần tín hiệu thu đợc giải điều chế bằng cách điều chế lại với mã trải trễ mộtcách thích hợp nh trên hình 1.10 Việc điều chế lại hay tơng quan của tín hiệuthu đợc với dạng sóng trải bị trễ này đợc gọi là giải trải phổ và là một hàm tớihạn trong tất cả các hệ thống trải phổ Thành phần tín hiệu của đầu ra bộ trộngiải trải phổ là:

] ) ( cos[

) ( ) (

2P c t T d c t T 0t d t T d   (1.18)

)]

( cos[

) (

Với Tˆ là ớc lợng thời gian trễ truyền dẫn tốt nhất của bộ thu Do c(t) =

 1 nên tích c(t-Tˆd)xc (t-Td) sẽ bàng đơn vị nếu Tˆd = Td, nghĩa là khi mã trảitại bộ thu đợc đồng bộ với mã trải tại bộ phát Khi đồng bộ chính xác thì cácphần tử tín hiệu của đầu ra bộ trộn giải của bộ thu sẽ bằng Sd(t) ngoại trừ mộtpha ngẫu nhiên và Sd(t) có thể đợc giải điều chế nhờ sử dụng bộ giải

] ) ( cos[

) (

2P c t Td 0t d t T d  

+ Giao thoa

Số liệu nhị phân

Bộ trộn giải trải C(t-T)

Hình 1.11: Bộ thu trải phổ dãy trực tiếp BPSK

Bộ điều chế số liệu ở trên không chỉ là BPSK, không hạn chế phải thựchiện trong dạng của d(t) Tuy nhiên, thông thờng sử dụng cùng một loại

điều chế pha số đối với số liệu và mã trải Khi BPSK đợc sử dụng cho cả hai

bộ điều chế thì có thể bỏ đi một bộ điều chế pha (bộ trộn) Quá trình điều chế

2 lần đợc thay thế bằng một lần điều chế đơn bởi việc cộng mudul-2 số liệu vàmã trải

19

Bộ lọc băng Giải điềuchế pha

Hình 1.12: Trải và giải trải dãy trực tiếp BPSK

Hình 1.12 minh hoạ hoạt động trải và giải trải dãy trực tiếp khi điềuchế số liệu và điều chế trải là BPSK Trong trờng hợp này điều chế số liệu đặctrng bởi bộ nhân sóng mang với d(t), trong đó d(t) lấy giá trị  Do đó:

t t

d p t

S d( )  2 ( ) cos 0 (1.19)

t t

c t d p t

S i( )  2 ( ) ( ) cos 0 (1.20)Dạng sóng trải và số liệu miêu tả trên hình 1.12 a, b và Sd(t), St(t) miêutả trên hình 1.12 c,d Hình 1.12e đặc trng cho đầu và sai pha so với bộ trộngiải trải thu với giả sử là trể truyền dẫn bằng 0 và hình 1.12f là đầu vào của bộ

20

trộn này Nhận thấy trên hình 1.12 f là không tơng đơng với Sd(t) chứng tỏ bộthu phải đợc đồng bộ với bộ phát Hình 1.12g là đầu ra bộ trộn giải trải khi mãgiải trải thùng pha Trong trờng hợp này C(t) Sd(t) = Sd(t) và sóng mang sốliệu đã điều chế đợc khôi phục.

Hình 1.13 Mật độ phổ công suất của sóng mang đã điều chế số liệu

Mật độ phổ công suất cả hai bên của sóng mang BPSK đo bằng W/Hzcho bởi [12-13]:

]}

) [(

sin ] ) [(

{sin 2

1 )

0

2 f f T c f f T c

PT f

Và đợc vẽ nh hình 1.13 Tín hiệu st(t) trên hình 1.12d cũng là một sóngmang BPSK và do đó có mật độ phổ công suất (psd) cho bởi (1.21) với T thaybằng là chu kỳ của ký hiệu mã trải Chu kỳ tín hiệu mã trải Tc thờng đợc coi làmã trải Hình 1.14 là mật độ phổ công suất của St(t) trong trờng hợp T = T/3

ảnh hởng của điều chế mã trải làm trải băng thông của tín hiệu phát lên 3 lần

và hoạt động trải phổ này làm giảm mức của psd xuống 3 lần Trong các hệthống thực tế thì hệ số trải này thờng lớn hơn 3 rất nhiều

21

Hình 1.14: Mật độ phổ công suất của số liệu và sóng mạng đã điều chế

và mã trải

Biểu thức (1.21) áp dụng chỉ khi cả điều chế số liệu và điều chế mã trải

đều là BPSK và khi điều chế số liệu và điều chế mã trải là đồng pha, trong ờng hợp này, do điều chế số liệu là hoàn toàn ngẫu nhiên nên tín hiệu St(t) làtín hiệu điều chế 2 pha một cách ngẫu nhiên và (1.21) đợc áp dụng

tr-Xét lại trờng hợp điều chế số liệu đặc trng bởi (1.16) và tín hiệu phát

đi đợc đặc trng bởi (1.17) Phổ công suất và hàm tự tơng quan của tín hiệu

là một cặp biến đổi Fourier [7, 17]

Sóng mang đã điều chế số liệu là một quá trình ngẫu nhiên ergodic, mãtrải phổ là tiền định cả tuần hoàn và tích St(t) của chúng là một quá trình ngẫunhiên ergodic Tín hiệu Sd(t) độc lập với C(t) sao cho hàm tự tơng quan Rt(ﻊ)của C(t) Sd(t) bằng tích của các hàm tự tơng quan, nghĩa là:

Nh đã biết, một trong các u điểm của việc sử dụng trải phổ là máy thu

có thể loại bỏ các giao thoa và nhiễu cố ý (còn gọi là các nhiễu) Việc loại bỏgiao thoa đợc thực hiện nhờ bộ trộn giải trải của bộ thu, bộ trộn này sẽ trảiphổ của giao thoa tại cùng một thời điểm mà tín hiệu mong muốn đợc giảitrải Nếu năng lợng giao thoa đợc trải trên một băng thông lớn hơn rất nhiềubăng thông của số liệu thì đa số các năng lợng này sẽ bị loại bỏ bởi bộ lọc sốliệu

Giả sử BPSK đợc sử dụng cho cả điều chế số liệu và điều chế trải phổ,nhiễu là tín hiệu đơn tần có công suất là J gây các nhiễu một cách trực tiếpvào băng thông truyền dẫn, nếu không sử dụng trải phổ thì tỷ số công suấtnhiễu trên công suất tín hiệu trong băng thông số liệu sẽ là J/P Phổ công suấttín hiệu thu đợc gần bằng:

2

1 ) (

sin )

( sin 2

1 )

0

2 f f T c f f T J f f f f c

PT f

tín hiệu thu đợc là:

) cos(

2 ) cos(

) ( ) ( 2 )

) ( 2 ) cos(

) ( 2 )

sin )

( sin 2

2 0

Phổ công suất của tín hiệu ở trên đợc mô tả ở hình 1.15, phổ công suấtthu đợc trên hình 1.15a, phổ sau bộ trộn giải trải trên hình 1.15b

Sau giải trải trong bộ thu trải phổ tín hiệu qua bộ lọc để giới hạn băngthông ở đầu vào của bộ giải điều chế số liệu gần bằng với băng thông số liệu.Hàm truyền đạt công suất của một bộ lọc lý tởng trên hình 1.15c và đầu ra của

bộ lọc này trên hình 1.15d Bộ lọc lý tởng này biểu thị băng thông tạp âm tơng

đơng của một bộ lọc trung tâm (IF) thực tế, băng thông tạp âm của bộ lọc này

23

IF nµy Nãi c¸ch kh¸c th× phÇn lín c«ng suÊt nguån c¸n nhiÔu tr¶i bÞ lo¹i bá bëi

bé läc nµy Lîng c«ng suÊt nguån c¸n nhiÔu qua bé läc IF nµy lµ:

T f

T f

T f

T f

T f

c c

c c

2 / 1 2 / 1

2 / 1 2 / 1

0

2 0

2 2

0

) (

sin 2

1 )

( sin 2

1 )

( )

(

(1.29)

24

Hình 1.15: Mật độ phổ công suất của bộ thu có tạp âm

25

thì hàm sin c gần bằng hằng số trong toàn bộ khoảng tích phân và:

T

T J

1.3.4 Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp QPSK

Nguyên lý làm việc của hệ thống trải phổ trực tiếp QPSK là: để duy trìphổ, sử dụng một nửa băng tần truyền dẫn, cùng một tổng công suất phát nhnhau để đạt đợc cùng xác suất lỗi bit [12] Hiệu suất sử dụng băng tần khôngphải lúc nào cũng là yếu tố quan trọng hàng đầu đối với hệ thống chống cannhiễu và xác suất tách thấp trong ứng dụng trải phổ, tuy nhiên, điều chế cầuphơng đợc sử dụng trong hệ thống trải phổ do rất khó tách khi sử dụng các bộphát đặc trng [11] trong các ứng dụng xác suất tách thấp và nó không nhạycảm lắm đối với một số loại nhiễu hiệu suất sử dụng phổ là mối quan tâmhàng đầu đối với các hệ thống trải phổ vô tuyến tổ ong

Cả điều chế số liệu và điều chế trải đều có thể thực hiện bằng các sóngman cầu phơng Nếu không có sự hạn chế đối với bộ điều chế pha số liệu thì

có thể thêm điều chế trải QPSK vào nhờ sử dụng hệ thống nh hình 1.15a

Công suất đầu ra của mạch cầu phơng là bằng 1/2 của công suất vào.Tín hiệu đầu ra bộ điều chế QPSK là:

cos ) ( )

Với c1(t) và c2(t) là dạng sóng trải phổ đồng pha và trực giao, và với giảthiết là cả 2 dạng sóng trải chỉ đợc lấy giá trị  1 Các dạng sóng trải nàycũng đợc giả thiết là đồng bộ chip hoặc độc lập hoàn toàn với nhau Loại điềuchế này gọi là điều chế QPSK cân bằng [18] vì việc điều chế số liệu đợc cânbằng giữa các kênh trải phổ đồng pha và trực giao

Phổ công suất của tín hiệu trải phổ QPSK (1.32) có thể đợc tính bàngcác lu ý cả hai thành phần của biểu thức này là nh nhau, ngoại trừ biên độ vàdịch pha có thể có đối với (1.17) trong trờng hợp trải phổ BPSK Do hai tín

26

hiệu này là trực giao nên phổ công suất của tín hiệu tổng bằng tổng đại số củahai phổ công suất Một phơng pháp rất thông dụng là tính hàm tự tơng quansát s(t):

là các dạng sóng độc lập

Bộ thu đối với tín hiệu phát (1.32) biểu thị trên hình 1.15b Trong hình

vẽ này bộ lọc băng có tần số trung tâm IF và băng thông đủ rộng để cho quasóng mang số liệu đã điều chế với méo không đáng kể Sử dụng đồng nhất l-ợng giác thuận có thể thấy các phần tử của x(t) và y(t) gần tần số IF là:

    ( )  ˆ sin ( )

2 ) ( cos

ˆ )

ˆ )

Và tín hiệu mong muốn đợc giải trải Các tín hiệu giải trải này sẽ qua

bộ lọc băng Các thành phần không mong muốn của (1.34) và (1.35) bị xoá đisao cho:

cos 2 )

Các kết quả ở trên đúng giả thiết là bộ thu bán pha sóng mạng hoạt

động hoàn hảo Từ (1.37) ta thấy sóng mạng điều chế số liệu đã đợc khôi phụclại, nghĩa là, máy phát tạo điều chế trải phổ QPSK còn bộ thu khôi phục lạibằng phơng pháp giải trải phổ Tín hiệu z(t) là đầu vào của một bộ giải điềuchế pha thông thờng và số liệu đợc khôi phục Có thể có các dạng khác của bộthu Tuy nhiên, ở đây bộ lọc và bộ trộn đợc đa ra là các cấu hình điển hình cóthể thấy trong các phần cứng thực tế

1.4 Kết luận:

Trải phổ trên cơ sở điều chế lại tín hiệu đã điều chế chính là nền tảngcủa công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Một trong những yêu

27

PN Việc trải phổ có thể đợc thực hiện trên cơ sở điều chế dịch pha nhị phânBPSK hoặc điều chế cầu phơng QPSK.

28

 Mã trộn: Mã trộn đợc sử dụng trên đờng xuống là tập hợp chuỗi mãGold Các điều kiện ban đầu dựa vào số mã trộn n Chức năng của nódùng để phân biệt các trạm gốc khác nhau Thông qua mô phỏng, n đợcxác định là tỉ số giữa tự tơng quan và tơng quan chéo khi thay đổi sốchip bị cắt bớt do thay đổi tỉ số S/N Kết quả đợc chỉ ra trong bảng 2.1.

29

Modulator

256 chips 2.22 1.78 1.73 1.36

Bảng 2.1 Quan hệ giữa S/N và số chip bị cắt bớt

Có hai loại mã trộn trên đờng 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 đờng lên thờng đợc sử dụng trong cell không phát hiện thấy nhiều ngời sử dụng trong một trạm gốc

Đó là chuỗi mã Gold có chiều dài là 241 - 1

2.1.1 Phơng thức song công

Hai phơng thức song công đợc sử dụng trong kiến thức WCDMA: Songcông phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số(FDD) Phơng pháp FDD cần hai băng tần cho đờng lên và đờng xuống Ph-

ơng thức TDD chỉ cần một băng tần Thông thờng phổ tần số đợc bán cho cácnhà 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 nhng cả hai phơng thứcdadều có tổng hiệu suất gần giống nhau Chế độ TDD không cho phép giữamáy di động và trạm gốc có trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa cáckhe thời gian thu và phát Vì vậy mà chế độ IDD phù hợp với các môi trờng cótrễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các picocell Một u điểm củaTDD là tốc độ dữ liệu đờng lên và đờng xuống có thể rất khác nhau, vì vậy màphù hợp cho các ứng dụng có đặc tính bất đối xứng giữa đờng lên và đờngxuống, chẳng hạn nh Web Browsing Trong quá trình hoạch định mạng, các u

điểm và nhợc điểm của hai phơng pháp này có thể bù trù Đồ án này chỉ tậptrung nghiên cứu chế độ FDD

Hình dới đây chỉ ra sơ đồ phân bố tần số của hệ thống UMTS Châu Âu

Hình 2.2 Phân bố phổ tần cho UMTS Châu Âu

2.1.3 Dung lợng mạng

Kết quả của việc sử dụng công nghệ đã truy nhập trải phổ CDMA làdung lợng của các hệ thống UMTS không bị giới hạn cứng, có nghĩa là mộtngời sử dụng có thể bổ sung mà không gây ra nghẽn bởi số lợng phần cứnghạn chế Hệ thống GSM có số lợng các liên kết và các kênh cố định chỉ chophép mật độ lu lợng lớn nhất đã đợc tính toán và hoạch định trớc nhở sử dụngcác mô hình thống kê Trong hệ thống UMTS bất cứ ngời sử dụng mới nào sẽgây ra một lợng nhiễu bổ sung cho những ngời sử dụng đang có mặt trong hệthống, ảnh hởng đến tải của hệ thống Nếu có đủ số mã thì mức tăng nhiễu dotăng tải là cơ cấu giới hạn dung lợng chính trong mạng Việc các cell bị cohẹp lại do tải cao và việc tăng dung lợng của các cell mà các cell laan cận nó

có mức nhiễu thấp là các hiệu ứng thể hiện đặc điểm dung lợng xác địnhnhiễu trong các mạng CDMA Chính vì thế mà trong các mạng CDMA có đặc

điểm "dung lợng mềm" Đặc biệt, khi quan tâm đến chuyển giao mềm thì cáccơ cấu này làm cho việc hoạch định mạng trở lên phức tạp

2.1.4 Phân tập đa đờng - Bộ thu RAKE.

Truyền sóng vô tuyến trong kênh di động mặt đất đợc đặc trng bởi các

sự phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lợng tín hiệu Các hiện tợng nàygây ra do các vật cản tự nhiên nh toà nhà, các quả đồi dẫn đến hiệu ứngtruyền sóng đa đờng

31

Hình 2.3 Truyền sóng đa đờng

Hiệu ứng đa đờng thờng gây ra nhiều khó khăn cho các hệ thống truyềndẫn vô tuyến Một trong những u điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thuqua các nhánh đa đờng với trễ truyền khác nhau và cờng độ tín hiệu khác nhaulại có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống Để kết hợp với các thành phần từcác nhánh đa đờng một cách nhất quán, cần thiết phải tách đúng các thànhphần đó Trong các hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE đợc sử dụng để thựchiện chức năg này Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu đợc gọi là

"finger" Bộ thu RAKE sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chianăng lợng của các thành phần tín hiệu khác nhau có pha và biên độ thay đổitheo kênh trong sơ đồ chòm sao Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cờng độtín hiệu, các thành phần khác nhau đó đợc kết hợp thành một tín hiệu với chấtlợng cao hơn Quá trình này đợc gọi là quá trình kết hợp theo tỷ số lớn nhất(MRC) và chỉ có các tín hiệu với độ trễ tơng đối cao hơn độ rộng thời gian củamột chíp mới đợc kết hợp Quá trình kết hợp theo tỷ số lớn nhất sử dụng tốc

độ chip là 3.84Mcps tơng ứng với 0.26s hoặc là chênh lệch về độ dài đờngdẫn là 78m Phơng pháp này giảm đáng kể hiệu ứng phadinh bởi vì khi cáckênh có đặc điểm khác nhau đợc kết hợp thì ảnh hởng của phadinh nhanh đợctính bình quân Độ lợi thu đợc từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đ-ờng tơng tự với độ lợi của chuyển giao mềm có đợc bằng cách kết hợp hai haynhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao

32

2.1.5 Các kênh giao diện vô tuyến UTRA FDD.

Giao diện vô tuyến UTRA FDD có các kênh logic, chúng đợc ánh xạvào các kênh chuyển vận, các kênh chuyển vận lại ánh xạ vào vật lý Hình vĩsau chỉ ra sơ đồ các kênh và sự ánh xạ của chúng vào các kênh khác

Logical Transport Physical

Hình 2.4 Sơ đồ ánh xạ giữa các kênh khác nhau.

2.1.6 Trạng thái cell.

Nhìn dới góc độ UTRA, UE có thể ở chế độ "rỗi" hoặc ở chế độ "kếtnối" Trong chế độ "rỗi", máy di động đợc bật và bắt đợc kênh điều khiển củamột cell nào đó, nhng phần UTRAN của mạng không có thông tin nào về UE

UE chỉ có thể đợc đánh địa chỉ bởi một thông điệp (chẳng hạn nh thông báotìm gọi) đợc phát quảng bá đến tất cả ngời sử dụng trong một cell Trạng tháichế độ "rỗi" cũng đợc gọi là "trạng thái nghỉ trong cell" UE có thể chuyểnsang chế độ "kết nối" bằng cách yêu cầu thiết lập một kết nối RRC Hình vẽsau đây chỉ ra các trạng thái và sự chuyển tiếp các trạng thái cho một UE baogồm cả các chế độ GSM/GPRS

33

PCCH BCCH CCCH CTCH DCCH DTCH CCCH DCCH DTCH

Downlink

Uplink

RCH BCH FACH DSCH DCH

FACH DCH CPCH

PCRCH COCRCH RDCH DRDCH DPOSH PRACH PCPCH SCH CPICH AICH PICH CSICH CD/CACH

Hình 2.5 Các chế độ UE và các trạng thái điều khiển tài nguyên vô tuyến

Nhìn chung việc ấn định các kênh khác nhau cho một ngời sử dụng vàviệc điều khiển tài nguyên vô tuyến đợc thực hiện bởi giao thức quản lý tàinguyên vô tuyến Trong chế độ "kết nối" của UTRA, có 4 trạng thái RRC mà UE

có thể chuyển đổi giữa chúng: Cell DCH, Cell FACH, Cell PCH và URA PCH

Trong trạng thái Cell DCH, UE đợc cấp phát một kênh vật lý riêng trên ờng lên và xuống

đ-Trong 3 trạng thái khác UE không đợc cấp phát riêng đ-Trong trạng tháiCell FACH, UE giám sát một kênh đờng xuống và đợc cấp phát một kênh FACHtrên đờng lên Trong trạng thái này, UE thực hiện việc chọn lựa lại cell Bằngcách gửi thông điệp cập nhật cell, RNC biết đợc vị trí của UE ở mức cell

Trong trạng thái Cell PCH và URA PCH, UE chọn lựa kênh tìm gọi (PCH)

và sử dụng việc tiếp nhận không liên tục (DRX) để giám sát kênh PCH đã chọnlựa thông qua một kênh liên kết PICH Trên đờng lên không có hoạt động nàoliên quan đến trạng thái này Sự khác nhau giữa 2 trạng thái này nh sau: Trongtrạng thái Cell PCH vị trí của UE đợc nhận biết ở mức cell tuỳ theo việc thựchiện cập nhật cell cuối Trong trạng thái URA PCH, ví trị của UE đợc nhận biết ởmức vùng đăng ký UTRAN (URA) tuỳ theo việc thực hiện cập nhật URA cuốicùng trong trạng thái Cell FACH

2.1.7 Cấu trúc Cell

Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiềuhơn đến sự phân tập của môi trờng ngời sử dụng Các môi trờng nông thôn ngoàitrời, đô thị ngoài trời, hay đô thị trong nhà đợc hỗ trợ bên cạnh các mô hình di

động khác nhau gồm ngời sử dụng tĩnh, ngời đi bộ đến ngời sử dụng trong môitrờng xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao Để yêu cầu một vùng phủsóng rộng khắơ và khả năng roaming toàn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp

34

các miền phân cấp với khả năng phủ sóng khác nhau Lớp cao nhất bao gồm các

vệ tinh bao phủ toàn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vôtuyến mặt đất UTRAN Mỗi lớp đợc xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp, cácvùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ Vì vậy các cell nhỏ đợc xây dựng để

hỗ trợ mật độ nhiều sử dụng cao hơn Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt

đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lợng cho các vùng mật độ dân

số cao Các cell pico đợc dùng cho các vùng đợc coi nh là các "điểm nóng" yêucầu dung lợng cao trong các vùng hẹp (ví dụ nh sân bay ) Những điều này tuântheo 2 nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: Các cellnhỏ hơn có thể đợc sử dụng để tăng dung lợng trên một vùng địa lý, các cell lớnhơn có thể mở rộng vùng phủ sóng

Do các nhu cầu và các đặc tính của một môi trờng văn phòng trong nhàkhác với yêu cầu của ngời sử dụng đang đi với tốc độ cao tại vùng nông thôn,diễn đàn UMTS đã phát triển 6 môi trờng hoạt động Đối với mỗi mô hình mật

độ ngời sử dụng có thể trên một km2 và các loại xell đợc dự đoán cho các môhình có tính di động thấp, trung bình, cao

35

2.2 Kiến trúc mạng

2.2.1 Kiến thúc hệ thống UMTS

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

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 đợc địnhnghĩa tại mức logic, nhng 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 đợc coi là

"mở" thì yêu cầu giao diện đó phải đợc định nghĩa một cách chi tiết về cácthiết bị tại các điểm đầu cuối mà có thể cung cấp bởi 2 nhà sản xuất khácnhau) Các phần tử mạng có thể đợc nhóm lại nếu có các chức năng giốngnhau, hay dựa vào các mạng con chứa chúng

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

+ Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

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

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

+ Thiết bị ngời sử dụng (UE) giao tiếp với ngời sử dụng và giao diện vôtuyến

Kiến trúc hệ thống ở mức cao đợc chỉ ra trong hình 2.10

36

Vệ tinh phủ sóng vùng nông thôn

Micro cell vùng ngọại ô

Pico cell Bên trong toà nhà

Micro cell Vùng đô thị

Hình 2.7 Kiến trúc hệ thống UMTS ở mức cao

Theo các đặc tả chỉ ra trong quan điểm chuẩn hoá, cả UE và UTRAN

đều bao gồm các giao thức hoàn toàn mới, việc thiết kế chúng dựa trên nhucầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới Ngợc lại, việc định nghĩa mạng lõi(CN) đợc kế thừa từ GSM Điều này đem lại cho hệ thống có công nghệ truynhập vô tuyến mới một nền tảng mang tính toàn cầu là công nghệ mạng lõi đã

có sẵn, nh vậy sẽ thúc đẩy sự quảng bá của nó, mang lại u thế cạnh tranhchẳng hạn nh khả năng roaming toàn cầu

Hệ thống UMTS có thể chia thành các mạng con có thể hoạt động độclập hoặc hoạt động liên kết các mạng con khác và nó phân biệt với nhau bởi sốnhận dạng duy nhất Mạng con nh vậy gọi là mạng di động mặt đất UMTS(PLMN) các thành phần của PLMN đợc chỉ ra trong hình 2-11

Hình 2.8 Các thành phần của mạng trong PLMN

Thiết bị ngời sử dụng (UE) bao gồm 2 phần

Thiết bị di động (ME) là đầu cuối vôi tuyến sử dụng để giao tiếp vô tuyến qua giao diện Uu

* Moudul nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là một thẻ thông minh

đảm nhận việc xác nhận thuê bao, thực hiện thuật toán nhận thức và lu giữkhoá mã mật, khoá nhận thực và một số các thông tin về thuê bao cần thiết bị

Các phần tử chính của mạng lõi GSM.

* HLR (Bộ đăng ký thờng trú) là một cơ sở dữ liệu trong hệ thống ờng trú của ngời sử dụng, lu trữ các bản gốc, các thông tin hiện trạng dịch vụngời sử dụng, hiện trạng về dịch vụ bao gồm: Thông tin về dịch vụ đợc phép

th-sử dụng, các vùng roaming bị cấm, thông tin các dịch vụ bổ sung nh: Trạngthái các cuộc gọi đi, số các cuộc gọi đi Nó đợc tạo ra khi ngời sử dụng mới

đăng ký thuê bao với hệ thống và đợc lu khi thuê bao còn thời hạn Với mục

đích định tuyến các giao dịch tới UE (các cuộc gọi và dịch vụ nhắn tin ngắn),HLR còn lu trữ các thông tin vị trí UE trong phạm vi MSC/VLR hoặc SGSN

* MSC/VLR (Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động/Bộ đăng ký tạmtrú) 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 đợc

sử dụng để chuyển mạch các giao dịch sử dụng chuyển mạch kênh, chức năngVLR là lu trữ bản sao về hiện trạng dịch vụ ngời sử dụng là khách và thông tinchính xác về vị trí của thuê bao khách trong toàn hệ thống Phần của hệ thống

đợc truy nhập thông qua MSC/VLR thờng là chuyển mạch kênh

* Các mạng chuyển mạch kênh: Các mạng này cung cấp các kết nốichuyển mạch kênh, giống nh dịch vụ điện thoại đang tồn tại Ví dụ nh ISDN

và PSTN

* Các mạng chuyển mạch gói: Các mạng này cung cấp các kết nối chocác dịch vụ dữ liệu gói, chẳng hạn nh mạng Internet

Các giao diện mở cơ bản của UMTS

* Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thôg minh USIM và ME.Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh

* Giao diện Uu: Đây là giao diện vô tuyến WCDMA Uu là giao diệnnhờ đó UE truy cập đợc với phần cố định của hệ thống, và vì thế có thể làphần giao diện quan trọng nhất trong UMTS

* Giao diện Iu: Giao diện này kết nối UTRAN tới mạng lõi Tơng tự nhcác giao diện tơng thích trong GSM, là giao diện A (đối với chuyển mạchkênh), và Gb (đối với chuyển mạch gói), giao diện Iu đem lại cho các bộ điềukhiển UMTS khả năng xây dựng đợc UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khácnhau

* Giao diện Iur: Giao diện mở Iur hỗ trợ chuyển giao mềm giữa cácRNC từ các nhà sản xuất khác nhau, và vì thế bổ sung cho giao diện mở Iu

* Giao diện Iub: Iub kết nối một nút B và một RNC UMTS là một hệthống điện thoại di động mang tính thơng mại đầu tiên mà giao diện giữa bộ

điều khiển và trạm gốc đợc chuẩn hoá nh là một giao diện mở hoàn thiện.Giống nh các giao diện mở khác, Iub thúc đẩy hơn nữa tính cạnh tranh giữacác nhà sản xuất trong lĩnh vực này

2.2.2 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN.

Nút B Nút B

MSC/

VLR

IU CS

Hình 2.9 Kiến trúc UTRAN

UTRAN bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vô tuyến (RNS) MộtRNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vôtuyến (RNC) và một hay nhiều nút B Các RNC có thể đợc kết nối với nhauthông qua một giao diện Iur Các RNC và nút B đợc kết nối với nhau qua giaodiện Iub

Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN:

* Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan Yêu cầu tác

động tới thiết kế của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác độngtới thiết kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị

đầu cuối kết nối tới mạng thông qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và cácthuật toán quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến đặc biệt của WCDMA

* Làm tăng cờng sự tơng đồng trong việc điều khiển sữ liệu chuyểnmạch gói và chuyển mạch kênh, với một ngăn xếp giao thức giao diện vôtuyến duy nhất và với việc sử dụng cùng một giao diện cho các kết nối từUTRA đến miền chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh của mạng lõi

2.2.2.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến.

Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) là phần tử mạng chịu trách nhiệm

điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến của UTRAN Nó giao tiếp với mạng lõi