Đa truy nhập vô tuyến: Hệ thống WCDMA

LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ viễn thông hiện nay đã và đang và đang có những bước phát triển rực rỡ.Công nghệ GSM 2G với những ưu điểm về chất lượng thoại cùng với một số dịch vụ đã có những th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN MÔN: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

Đề tài: Phân tích cách thức tổ chức đa truy nhập vô tuyến trong một hệ thống

thông tin vô tuyến cụ thể sử dụng W- CDMA

HÀ NỘI Tháng 7 năm 2016

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ viễn thông hiện nay đã và đang và đang có những bước phát triển rực rỡ.Công nghệ GSM 2G với những ưu điểm về chất lượng thoại cùng với một số dịch vụ đã có những thành công to lớn tại rất nhiều quốc gia với tỉ trọng thuê bao di động chiếm tới 50% tổng số các thuê bao.Tuy nhiên nhu cầu của người

sử dụng về dịch vụ mới là không giới hạn, đòi hỏi các dịch vụ đa dạng chất lượng cao từ thoại, audio, video, đến truyền dữ liệu tốc độ cao Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn Để đáp ứng được yêu cầu đó, người ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ 3G ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-

2000, còn ở châu Âu ETIS đã tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Teclecommunnication System) Mục tiêu trước mắt là tốc độ truyền bit từ 9,5Kbps lên 2Mbps Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ truyền thông đa phương tiện đến các thiết bị không dây Có nhiều chuẩn thông tin di động 3G được đề xuất , trong đó chuẩn W-CDMA đã được ITU chấp thuận và hiện nay đang được triển khai ở một số nước trong khu vực Hệ thống W-CDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động 2G sử dụng công nghệ TDMA như GSM,PCD…WCDMA sử dụng công nghệ CDMA là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động trên toàn thế giới Xuất phát từ những yếu tố trên nhóm chúng em đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Công nghệ W-CDMA và ứng dụng trong hệ thống thông tin di

động"

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu về W-CDMA 3

2 Cấu trúc mạng WCDMA: 5

2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN: 7

2.2 Giao diện vô tuyến 8

3 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA 9

3.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA 9

3.2 Mã vòng hay mã phát hiện lỗi 14

3.3 Điều chế BIT/SK và QPSK: 16

3.3.1 Điều chế BIT/SK: 16

3.3.2 Điều chế QPSK 17

3.4 Trải phổ và Mã trải phổ trong WCDMA 19

4 Mã định kênh OVSF 24

5 Các giải pháp nâng cấp GSM lên thế hệ ba 26

6 Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM 27

7 Khả năng tiến lên 3G ở Việt Nam: 27

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 29

Tài liệu tham khảo 31

1 Giới thiệu về W-CDMA

W-CDMA( Wideband Code Division Multiple Aceess- truy cập đa phân mã băng rộng) là công nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và có khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, hội thảo hình…

WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz- 1980 MHz, 2110 MHz- 2170 MHz WCDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kĩ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rông thay thế cho TDMA Trong các

hệ thống thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ bit thấp và trung bình

* WCDMA có các tính năng cơ sở sau:

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

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

mang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

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

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

- Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch

vụ với tốc độ bit lên đến 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

Các dich vụ đa phương tiện mà WCDMA cung cấp

Các dịch vụ dữ liệu (data) của WCDMA: WCDMA cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao hơn và sử dụng hiệu quả phổ băng tần lớn hơn các công nghệ trước

đó như GSM, GPRS hoặc EDGE Phiên bản đầu tiên của WCDMA là R99 và

phiên bản mới nhất gần đây là HSDPA(Release 5) , HSUPA(Release 6) cung cấp tốc độ cao cho đường lên UL và đường xuống riêng biệt DL Phiên bản trong

tương lai sẽ là HSPA (Release 7) và LTE(Release 8)

Các dịch vụ dữ liệu của WCDMA

2 Cấu trúc mạng WCDMA:

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng có thể chia làm 2 loại: mạng lõi CN và mạng truy cập vô tuyến UTRAN, trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của GPRS còn mạng truy cập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng UE thực hiện giao diện người sử dụng hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống

WCDMA phát triển mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ GSM

Cấu trúc của UMTS

 UTRAN (UMTS terrestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến UTRAN bao gồm:

- Nút B: thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu, nó cũng tham gia quản lí tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn

là điểm truy nhập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

- MSC/VRL (Mobile Services Switching Center/ Visitor Location Register):

là tổng đài MSC và cơ sở dữ liệu VRL để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh VRL có chức năng lưu trữ bản sao về lí lịch nguời sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ

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

- SGSN (Serving GPRS) L có chức năng như MSC/VRL nhưng sử dụng cho các dịch vụ mạch chuyển gói PS

- GGSN (Gateway GPRS Support Node) L có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ mạch chuyển gói

 Các mạng ngoài:

- Mạng CS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

- Mạng PS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói

 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 giao diện mở quan trọng nhất UMTS

- Giao diện Iu: giao diện nay nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

- Giao diện Iur: cho phép chuyển giao mềm giữa các nhà sản xuất khác nhau

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

2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN:

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

Subsystem) Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các Node B Các RNC được kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với Node B bằng giao diện Iub

Cấu trúc của UTRAN Đặc trưng của UTRAN:

Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng như các giao thức, nó có đặc tính sau đây:

- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lí tài nguyên đặc thù của W-CDMA

- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lí số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ

UTRAN đến cả 2 vùng của mạng lõi

- Đảm bảo tính chung nhất với GSM

- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính của UTRAN

2.2 Giao diện vô tuyến:

Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic Cấu trúc giao diện được xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với nhau, điều này cho phép thay đổi một phần cấu trúc giao thức trong khi vẫn giữ nguyên các phần tử còn lại

Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến UTRAN

3 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA

Hệ thống thông tin di động W-CDMA sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp (DS-CDMA)

3.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA

Trải phổ chuối trực tiếp (DS) được sử dụng cho hệ thống di động CDMA thế hệ thứ hai của Mỹ, hệ thống CDMA – WLL của Nhật và hiện giờ đang được sử dụng trong các hệ thống di động thế hệ thứ ba W-CDMA

Quá trình lọc đối với độ rộng băng tần tín hiệu có thể được sử dụng để loại bỏ công suất nhiễu trong SNR của số liệu băng gốc

Phía phát của hệ thống

Phía thu của hệ thống

Hệ thống trải phổ DS-CDMA

Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA điển hình:

a Sơ đồ khối

b Máy thu tương quan nhất quán

Mô hình hệ thống DS-CDMA

Dạng sóng số liệu cơ số hai (+) bk(t) là một hàm chữ nhật có biên độ +1 hay

1 và có thể đổi dấu sau Tb giây , dạng sóng trải phổ (+-) , ck(t) , cũng có hình

chữ nhật nhưng nó tuần hoàn và có tốc độ cao hơn nhiều tốc độ tín hiệu dữ

liệu Ta coi rằng thời gian một bit số liệu Tb giây chứa đúng một chu kỳ (N

chip) mã trải phổ sao cho tốc độ chip bằng N/Tb=1/Tc Trong đó Tc là thời

gian chip hay chu kỳ chip vì thế tốc độ chip gấp N lần tốc độ bit (1/Tb), Thực

chất , do dạng sóng số liệu được điều chế ở sóng trải phổ và sóng mang nên

sóng trải phổ chuỗi trực tiếp cho tín hiệu i là :

Công suất trung bình của S(t) bằng P và ta coi rằng tất cả tín hiệu thu được đều

có công suất bằng nhau giả thiết này đúng nếu có thể điều khiển động công

suất cho tất cả đầu cuối thông số là pha của sóng mang Vì tất cả các tín

hiệu phát là dị bộ, cũng cần có thông số trễ trong mô hình

Ta xét quá trình thu tín hiệu ở máy thu thứ nhất Tín hiệu nhận được từ đầu vào của máy thu thứ nhất được xác định như sau:

Nếu không xét đến ảnh hưởng của tạp âm (bỏ qua sự suy hao) và giả sử mã PN nội của máy thu này đã đồng bộ với máy thu nhận từ phía phát ta được đầu ra của bộ

nhân như sau :

Như vậy sau khi nhân tín hiệu của luồng 1 sẽ được giải trải phổ, còn tín hiệu

của các luồng bit i # 1 sẽ bị trải phổ

Phổ của tín hiệu thu và tạp âm sau bộ nhân

Sauk hi lấy tích phân trong khoảng thời gian Tb luồng 1 sẽ được tách ra và ta

nhận được:

Bộ hạn biên cứng sẽ đưa ra chuỗi sau:

Xác suất lõi bit (PBE: Probability Bit Error) là bộ hàm của Eo/No, tỉ số giữa năng lượng bit tín hiệu với mật độ phổ tạp âm ( tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra SNR0) Khi không có giảm chất lượng nào ngoài tạp âm AWGN thì PBE là

đối với BP/SK Giả thiết rằng ta coi mô hình K-1 tín hiệu nhiễu băng rộng như là AWGN Công suất kết hợp của chúng trong độ rộng băng của hệ thống trải phổ chẳng hạn B(Hz) là (K-1)P, tổng công suất tạp âm ở hệ thống này bây giờ là :

Với công suất tạp âm này cho ta một PSD tạp âm 2 biên mới :

Nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng như vậy sẽ tạo nên một tạp âm bổ sung có PSD hai biên bằng :

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra SNR0 mới là :

Trong đó :

Đối với BPSK nếu coi rằng B~1/Tc ta được :

Trong đó:

Khi K=1 sẽ không có nhiễu giao thoa và ta đạt được xác suất lỗi bit bằng

chính là kết quả nhận được cho BP/SK và cũng cần lưu ý rằng Q(x) giảm cùng với x, vì thế ta thấy rằng xác suất lỗi bit PBE tăng khi số người sử dụng đồng thời K tăng và giảm cùng với độ lợi xử lý Gp để truyền dẫn tiếng đã số hóa, yêu cầu PBE vào khoảng 10^-3 Nếu biết Eb/No và thừa số trải phổ N (hoặc PG) ta

có thể sử dụng phương tình trên để ước tính K

3.2 Mã vòng hay mã phát hiện lỗi

Có hai phương pháp để sửa lỗi: mã hóa kênh và yêu cầu phát lại tự động

(AQR) Trong WCDMA sử dụng phương pháp mã hóa kênh do có băng thông

rộng nhờ quá trình trải phổ việc làm này làm tăng độ lợi xử lý Coa 3 loại mã kiểm soát lỗi sử dụng WCDMA là mã vòng, mã xoán và mã turbo Trong đó mã vòng

dùng để phát hiện lỗi, còn hai mã còn lại sử dụng để sửa lỗi (mã hóa kênh)

Mã hóa là phương pháp mã hóa cho phép kiểm tra độ dư vòng (CRC-Cyclic

Redundace Check) và chỉ thị chất lượng khung ở các khung bản tin

Mã hóa mã vòng (n,k) dạng hệ thống gồm ba bước:

Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = g1(x) +g2x^2 +…+gn-k-1.x^n-k-1 +x^n-k

3.3 Điều chế BIT/SK và QPSK:

3.3.1 Điều chế BIT/SK:

Trong một hệ thống điều chế BIT/SK (BPSK- Binary Phase Shift Keying) cặp tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các giá trị nhị phân Ta có:

Trong đó: Tb: Độ rộng băng thông

Eb: Năng lượng của một bit

Một cặp song sin đối pha 180 độ như trên gọi là một cặp tín hiệu đối cực:

Sơ đồ nguyên lý điều chế BPSK

Luồng số tốc độ bit Rb được đưa qua bộ chuyển đổi về tín hiệu NRZ {0- 1, 1- (-1)} sau đó nhân với sóng mang để được tín hiệu điều chế BIT/SK

Chọn một tín hiệu là cơ sở là trực chuẩn:

Khoảng cách giữa hai tín hiệu BPSK

3.3.2 Điều chế QPSK

Tín hiệu điều chế QPSK có dạng:

Trong đó:

Eb: Năng lượng một bit

Tb: Thời gian một bit

E=2Eb: Năng lượng tín hiệu phát đi trên một ký hiệu

T=2Tb: Thời gian của một ký hiệu

Biến đổi lượng giác ta có phương trình dạng tương đương như sau:

Ta có thể biểu diễn tín hiệu điều chế QPSK bằng bốn điểm trong không gian tín hiệu với các tọa độ xác định như sau:

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu ở bảng sau:

Ta thấy xác suất lỗi của BPSK và QPSK là như nhau Tuy nhiên với QPSK thì hiệu suất băng thông gấp 2 lần BPSK Băng thông của QPSK xấp xỉ bằng Rb

3.4 Trải phổ và Mã trải phổ trong WCDMA

Trong W- CDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy nhập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ

 Hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chỉ sử dụng DSSS

* Nguyên lý trải phổ DSSS: Trải phổ dãy trực tiếp (DSSS: Direct Sequence

Spreading Spectrum):

Sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang chứa thông tin Trong phương pháp này, các mã trải phổ trực tiếp tham gia vào các quá trình điều chế, còn trong các dạng trải phổ khác các mã trải phổ chỉ dùng để điều khiển tần số

hay thời gian truyền dẫn sóng mang

DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ có tốc độ chip (Rc = 1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát

Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

x,y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ; x(t),y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian; X(f),Y(f) và C(f)

ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra mã trải phổ trong miền tần số, Tb là thời gian một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit của luồng số cần truyền; Tc là thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã trải phổ, Rc=15Rb

và Tb=15Tc