Tìm hiểu mạng w CDMA và kỹ thuật trải phổ trong w CDMA

Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệthống thông tin di động số thế hệ 2 2G ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợdịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp.. Hệ thốn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ W –CDMA VÀ

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W –

CDMA

Người hướng dẫn : ThS NGUYỄN THỊ KIM THU Sinh viên thực hiện : HOANG ĐỨC CẢNH Lớp : 48k- ĐTVT

Mã số sinh viên : 0651080401 Niên khóa : 2007 - 2012

NGHỆ AN- 01/2012

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại.Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tinmọi lúc, mọi nơi Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệthống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợdịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp Hệ thống thông tin di động thế hệ

3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc

độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phươngtiện (MMS)… WCDMA là nhánh công nghệ 3G được phát triển dựa trên cơ

sở hệ thống thông tin di động 2G GSM

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựachọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000 Giao diện vô tuyếntrên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tínhđáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ ba Tốc độ truyền sốliệu của WCDMA là khá lớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp đã

mở rộng dải tần tới 5MHz đã phần nào đáp ứng được phần nào nhu cầu người

tiêu dùng Vì vậy em đã chọn đề tài: “Công nghệ WCDMA và kỹ thuật trải

phổ trong WCDMA” Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:

Chương 1 Hệ thống thông tin di động số GSM

Chương 2 Thông tin di động thế hệ ba WCDMA

Chương 3 Công nghệ trải phổ trong WCDMA

Em xin chân thành cảm ơn Ths.Nguyễn Thị Kim Thu và các thầy cô

giáo trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

1.1 L trình phát tri n h th ng thông tin di ộ ể ệ ố động 14

1.2.2 Lịch sử phát triển mạng GSM 19

1.3 C u trúc a lý c a m ng 21ấ đị ủ ạ

1.3.1 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network) 22

1.3.2 Vùng phục vụ MSC 22

1.3.3 Vùng định vị (LA - Location Area) 23

Cell (Tế bào hay ô) 23

1.4 Mô hình h th ng thông tin di ệ ố động GSM 24

1.4.1 Các th nh ph n ch c n ng trong h th ng 25à ầ ứ ă ệ ố

1.4.2 Trạm di động (MS - Mobile Station) 25

1.4.3 Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station Subsystem) 26

1.4.3.1 Kh i BTS (Base Tranceiver Station) 26ố

1.4.3.2 Kh i TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit) 26ố

1.4.3.3 Kh i BSC (Base Station Controller) 27ố

1.5 Phân h chuy n m ch (SS - Switching Subsystem) 28ệ ể ạ

1.5.1 Trung tâm chuyển mạch di động MSC 28

1.5.2 Bộ ghi định vị thường trú (HLR - Home Location Register) 30 1.5.3 Bộ ghi định vị tạm trú (VLR - Visitor Location Register) 30

1.5.4 Thanh ghi nhận dạng thiết bị (EIR - Equipment Identity Register) 31

1.5.5 Khối trung tâm nhận thực AuC (Aunthentication Center) 31

1.6 Phân h khai thác v b o dệ à ả ưỡng (OSS) 31

2.2 C u trúc m ng WCDMA 40ấ ạ

2.3 Ki n trúc 3G WCDMA UMTS 42ế

Chương 3: CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 50

3.1 C u trúc c a m t thi t b thu phát vô tuy n s 50ấ ủ ộ ế ị ế ố

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tìm hiểu về hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sử dụng côngnghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W_CDMA Do W_CDMAđược xâydựng trên nền mạng GSM nên chương 1 sẽ tìm hiểu cấu trúc, cácthành phần mạng GSM Chương 2 đi sâu nghiên cứu về các đặc điểm mới củaW_CDMA, kiến truc 3G_ WCDMA UMTS

Kỹ thuật trải phổ trong W_CDMA sẽ được xem xét ở chương 3

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động 13

Hình 1.2 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM 20

Hình 1.3 Phân cấp cấu trúc địa lý mạng GSM 20

Hình 1.4 Phân vùng và chia ô 21

Hình 1.5 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM 22

Hình 1.6 Chức năng xử lý cuộc gọi của MSC 28

Hình 2.1 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 34

Hình 2.2 Sơ đồ mạng WCDMA 39

Hình 2.3 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 1999 .42 Hình 2.4 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4 46

Hình 2.5 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP Release5 47

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vô tuyến số 49

Hình 3.2 Mô hình hệ thống thông tin trải phổ 51

Hình 3.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 54

Hình 3.4 Quá trình giải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu 57

Hình 3.5 Cây mã định kênh 60

Hình 3.6 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 62

Hình 3.7 Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng đường lên 62

Hình 3.8 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hoá phức 63

Hình 3.9 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 64

Hình 3.10 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống 65

Hình 3.11 Các mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp và thứ cấp 67

Hình 3.12 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 68

Bảng 3.2 Thớ dụ nhõn hai mó giống nhau được một mó mới trong 8 tập mó .56

Bảng 3.3 Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 đợc một mã mới trong 8 tập mã 56

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1G 1nd Generation Là hệ thống thông tin di động

thứ nhất2G 2nd Generation Hệ thống thống tin di động thế

hệ 23G 3rd Generation Hệ thống thống tin di động thế

hệ thứ 33GPP Third Generation Partnership

Project Dự án hội nhập thế hệ 3GPP2 Third Generation Partnership

Project2 Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

A;

AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động tiên

tiếnATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộAuC Authentication Center Trung tâm nhận thựcAMR Adaptive multi Rate Kỹ thuật đa tốc độ thích ứng

CSCF Call Server Control Function Chức năng điều khiển phục vụ

cuộc gọiCEPT Conference of European Posts and

Telecommunications

Liên minh Châu Âu về Bưuchính viễn thông

D;

DS Direct Sequence Chuỗi trải phổ trực tiếpDPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý dùng chungDPCCH Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý dùng

chungDSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

Access

Tự do truy cập đa phương tiện

di độngFDMA Frequency Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia tần sốFH/SS Frequency Hopping/Spread

HSDPA High-Speed Downlink Packet

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

TDMA của MỹITU-T ITU Telecommunication

Standardisation Sector

Bộ phận tiêu chuẩn hóa vềviễn thông của ITU

M;

MRF Media Resource Function Chức năng nguồn media

MSC Mobile Switching Service Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ

di động

MNC Mobile Network Code Mã vùng định vị (16 bit)LAC Location Area Code Hệ thống điện thoại di động Bắc

Factor

Hệ số trải phổ khả biến trực

giaoOSS Operation and Support System Phân hệ khai thác và bảo dưỡng

P;

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển nhắn gọiPRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

đường xuống

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công

cộng

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng

PCCPCH Primary Common Control Physical

Channel

Kênh vật lý điều khiển chung sơ

cấpPDSCH Physical Downlink Shared

Channel

Kênh chia sẻ vật lý đường

xuốngPCPCH Physical Common Packet Kênh gói chung vật lý

Q;

QoS Channel Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phương

SS7 Signaling System 7 Hệ thống báo hiệu số 7

SS Switching Subsystem Chuyển đổi hệ thống con

T;

TRAU Transcode/Rate Adapter Unit Khối thích ứng và chuyển đổi

mãTACCS Total Access Communications

System

Hệ thống truyền thông truy nhập

tổng hợpTDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gianTDMA Time Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

TH Time Hopping Trải phổ nhảy thời gian

U;

Telecommunications System

Hệ thống Viễn thông Di động

Toàn cầuUSIM Universal Subscriber Identity

Module Modul chỉ thị thuê bao toàn cầuUTRAN UMTS Terresrial Radio Access

Microwave Access

Tương hợp truy nhập vi ba toàn

cầu

Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ GSM

1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động

Kỹ thuật thông tin bằng sóng vô tuyến điện ra đời vào cuối thế kỷ 19thúc đẩy sự ra đời của hệ thống thông tin di động.Tuy nhiên hệ thống này chỉđược khai thác phục vụ công cộng sau thế chiến thứ 2

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và nhu cầu dịch vụthông tin của loài người ngày cang tăng cao nên mạng thông tin di động ngàycàng phát triển.Lộ trình phát triển được chỉ ra trên hình 1.1

generationWirelessLTE

Next-GPRS

UMTSHSxPAGSM

cdma 2000

SCDMAAnalog

TD-1G

10 to 150kbits/s

1 to 10Mbits/s

100 Bbits/s

1980 1993-1998 1998-2002 2003-2010+

Hình 1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động

 1G (1st Generation): Là hệ thống thông tin di động thứ nhất với

tín hiệu sóng analog, được giới thiệu trên thị trường vào thập niên 80 Mộttrong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone)được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệkhác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại diđộng tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access

Communication Sytem - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng

ở Anh

Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượngthấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn vớikhách hàng v.v [4]

 2G: Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng

như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số

và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja Mạng 2G mang tớicho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mãhoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là

sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản - SMS Theo đó, các tin hiệuthoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiềudạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trêncùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu kỹthuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn

và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bịhơn…

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division MultipleAccess) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sửdụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia.[4]

 2,5G: Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G.

Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở

hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA Và tiến

bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệuđược dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Bên cạnh đó, mộtvài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT choCDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (dùng mộttốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch

vụ 2.5G bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự

 3G: Là công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3, cho phép truyền cả dữ

liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh SMS,hình ảnh,…) Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác

so với hệ thống 2G hiện nay Trong các dịch vụ của 3G, cuộc gọi videothường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển.[4]

Công nghệ 3G được chia làm 2 dòng chuẩn:

UMTS (W-CDMA)

• UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên côngnghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với cácnhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu vàmột phần châu Á (trong đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổchức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM,GPRS và EDGE.[4]

• FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm

2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên côngnghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS

• CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s.Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU

Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triểntrên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.

HSDPA có tốc độ truyền tải dữ liệu lên tối đa gấp 5 lần so với khi sửdụng công nghệ W-CDMA HSDPA sử dụng các phương pháp chuyển đổi và

mã hóa dữ liệu khác Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong W-CDMAđược gọi là HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), hay còn gọi

là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Kênh truyền tải này hoạt động hoàntoàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện downloadvới tốc độ vượt trội Và đây là một kênh chuyên dụng cho việc download.Điều đó cũng có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồn đến điệnthoại Song quá trình ngược lại, tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến mộtnguồn tin thì không thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA Côngnghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các user có sử dụng sóng radio, sóngcho hiệu quả download nhanh nhất

Ngoài HS - DSCH, còn có 3 kênh truyền tải dữ liệu khác cũng được pháttriển, gồm có HS - SCCH (High Speed Shared Control Channel - kênh điềukhiển dùng chung tốc độ cao), HS - DPCCH (High Speed Dedicated PhysicalControl Channel - kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao) và HS-PDSCH (High Speed Downlink Shared Channel - kênh vật lý chia sẻ đườngxuống tốc độ cao) Kênh HS - SCCH thông báo cho người sử dụng về thôngtin dữ liệu sẽ được gửi vào các cổng HS - DSCH

Trong năm 2007, một số lượng lớn các nhà cung cấp dịch vụ di động trêntoàn thế giới đã bắt đầu bán các sản phẩm USB Modem có chức năng kết nối

di động băng thông rộng Ngoài ra, số lượng các trạm thu phát HSDPA trênmặt đất cũng tăng nhanh để đáp ứng nhu cầu thu phát dữ liệu Được giới thiệu

là có “tốc độ lên tới 3.6 Mbit/giây”, song đây chỉ là con số có thể đạt đượctrong điều kiện lý tưởng Do vậy, tốc độ đường truyền sẽ không nhanh nhưmong đợi, đặc biệt là trong điều kiện phòng kín

 Supper 3G (LTE)

Super 3G hay còn gọi là công nghệ LTE (Long Term Evolution) đangđược chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, các thông số kỹ thuật cốt lõi của Super 3G

đã được phê chuẩn Super 3G với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp vànâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số, là 1 bước tiến dài so với chuẩn HSDPA(tốc độ tối đa 14Mb/giây) và HSUPA (tốc độ tối đa 5,7Mb/giây) của mạngW-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G Super 3G đượcđánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạngbăng thông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ 4, thế hệ 4G Docomo

đã và đang tiếp tục thử nghiệm, cải tiến Super 3G trên môi trường không dâythực gần phòng thí nghiệm R&D của họ Cuộc thử nghiệm sử dụng 4 hệthống anten MIMO (Multiple-Input Mutiple-Output) cho trạm phát tín hiệu vàtrạm tiếp nhận di động với băng thông rộng 20MHz, băng thông tối đa theochuẩn công nghệ Super 3G Họ tiếp tục thử nghiệm khả năng truyền tải kếtnối giữa các trạm, chức năng của các ứng dụng ở môi trường trong nhà lẫnngoài trời

Bảng 1.1 So sánh thông số kỹ thuật các công nghệ 3G3G:

CDMA

W-3,5G:

HSPA(HSDPA/HSUPA)

3.9G:

Super 3GSpectrum 3G(2GHz band plus additional spectrum for 3G)