Công nghệ WCDMA và kỹ thuật trải phổ trong WCDMA luận văn tốt nghiệp đại học

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

Trờng đại học vinh Khoa điện tử - viễn thông

Đồ án tốt nghiệp đại học

Đề tài:

Công nghệ WCDMA và kỹ thuật

trải phổ trong WCDMA

Ngời hớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoa L

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thanh Nga Lớp: 47K - ĐTVT

Vinh, tháng 5/2011

MỞ 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 tin mọi lúc, mọi nơi Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch

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 phương tiện (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 lựa chọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000 Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ ba Tốc độ truyền số liệu 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 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động

Chương 2 Thông tin di động thế hệ ba WCDMA

Chương 3 Công nghệ trải phổ trong WCDMA

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoa Lư và các thầy cô

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

Vinh, tháng 05 năm 2011

2

Sinh Viên thực hiện

Nguyễn Thị Thanh Nga

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 5

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 7

Chương 1 9

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9

1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động 9

1.2 Hướng phát triển của WCDMA 13

Chương 2 15

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA 15

2.1 Giới thiệu về WCDMA 15

2.2 Cấu trúc mạng WCDMA 22

2.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 24

Chương 3 31

CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ TRONG WCDMA 31

3.1 Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số 32

3.2 Khái quát về kỹ thuật trải phổ 34

3.3 Hệ thống thông tin trải phổ 35

3.4 Các phương thức trải phổ 37

3.5 Các đặc tính của DS-CDMA 43

3.6 Ưu và nhược điểm của DS - CDMA 43

3.7 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 44

3.8 Trải phổ và điều chế đường lên 46

3.9.Trải phổ và điều chế đường xuống 49

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động 10

Hình 2.1 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba 17

Hình 2.2 Sơ đồ mạng WCDMA 22

Hình 2.3 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 1999 25

Hình 2.4 Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4 29

Hình 2.5 Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP Release5 Error: Reference source not found Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vô tuyến số Error: Reference source not found Hình 3.2 Mô hình hệ thống thông tin trải phổ Error: Reference source not found Hình 3.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 39

Hình 3.4 Quá trình giải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu Error: Reference source not found Hình 3.5 Cây mã định kênh Error: Reference source not found Hình 3.6 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lênError: Reference source not found Hình 3.7 Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng đường lên 48

Hình 3.8 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hoá phức 48

Hình 3.9 Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH 49

Hình 3.10 Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống Error: Reference source not found

4

Hình 3.11 Các mã ngẫu nhiên hoá sơ cấp và thứ cấpError: Reference source not found

Hình 3.12 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống Error: Reference source not found

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 So sánh thông số kỹ thuật các công nghệ

3G……….Error: Reference source not found

Bảng 2.1 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của

W-CDMA Error: Reference source not found

Bảng 3.1 Thí dụ bộ tám mã trực

giao Error: Reference source not found Bảng 3.2 Thí dụ nhân hai mã giống nhau được một mã mớitrong tập 8 mã Error: Reference source not found

Bảng 3.3 Thí dụ nhân hai mã khác nhau được một mã mới trong 8 tập mã Error: Reference source not found

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

1G

2G

3G

3GPP

GPP2

A;

AMPS

ATM

AuC

AMR

B;

BPSK

BS

BSC

C;

CRC

CDMA

CN

CS

CSCF

D;

DS

DPDCH

1st Generation 2nd Generation 3rd Generation

Third Generation Partnership Project

Third Generation Partnership Project2

Advanced Mobile Phone Service Asynchronous Transfer Mode

Authentication Center Adaptive multi Rate

Binary Phase Shift Keying Base Station

Base Station Controller

Cyclic Redundance Check Code Division Multi Access

Core Network Circuit-Switched Call Server Control Function

Direct Sequence Dedicated Physical Data Channel

Là hệ thống thông tin di động thứ nhất

Hệ thống thống tin di động thế hệ 2

Hệ thống thống tin di động thế hệ thứ 3

Dự án hội nhập thế hệ 3

Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

Phương thức truyền không đồng bộ

Trung tâm nhận thực

Kỹ thuật đa tốc độ thích ứng

Điều chế dịch pha nhị phân Trạm gốc

Bộ điều khiển trạm gốc

Mã kiểm tra dư vòng

Đa truy nhập phân chia theo mã

Mạng lõi Chuyển mạch kênh Chức năng điều khiển phục

vụ cuộc gọi

Chuỗi trải phổ trực tiếp Kênh số liệu vật lý dùng chung

8

Chương 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động

Next-generation Wireless LTE

GPRS

UMTS HSxPA GSM

cdma 2000

TD-SCDMA Analog

kbits/s

1 to 10 Mbits/s

100 Bbits/s

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 Một trong 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 nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động 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 lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v

 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 tới

cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá 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 hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu kỹ thuật 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 bị hơn…

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia

 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 liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Bên cạnh đó, một vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (dùng một tốc 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 video thường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển

Công nghệ 3G được chia làm 2 dòng chuẩn:

UMTS (W-CDMA)

10

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

• 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 công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS

CDMA 2000

• Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại

Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 - một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV

• 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

 HSDPA (3.5G)

HSDPA là một phương thức truyền tải dữ liệu theo phương thức mới Đây được coi là sản phầm của dòng 3.5G Công nghệ này cho phép dữ liệu download về máy điện thoại có tốc độ tương đương với tốc độ đường truyền ADSL

Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triển trên 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 sử dụng 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-CDMA được 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 hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện download với 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 điện thoại Song quá trình ngược lại, tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến một nguồn tin thì không thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA Công nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các user có sử dụng sóng radio, sóng cho hiệu quả download nhanh nhất

Ngoài HS - DSCH, còn có 3 kênh truyền tải dữ liệu khác cũng được phát triển, gồm có HS - SCCH (High Speed Shared Control Channel - kênh điều khiển dùng chung tốc độ cao), HS - DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel - kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao) và HS-PDSCH (High Speed Downlink Shared Channel - kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao) Kênh HS - SCCH thông báo cho người sử dụng về thông tin 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 trên toàn 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 trên mặt 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 được trong điều kiện lý tưởng Do vậy, tốc độ đường truyền sẽ không nhanh như mong đợi, đặc biệt là trong điều kiện phòng kín

 Supper 3G (LTE)

Super 3G hay còn gọi là công nghệ LTE (Long Term Evolution) đang được 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 và nâng 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 mạng

12

W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G Super 3G được đánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng băng 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 dây thực gần phòng thí nghiệm R&D của họ Cuộc thử nghiệm sử dụng 4 hệ thống anten MIMO (Multiple-Input Mutiple-Output) cho trạm phát tín hiệu và trạm tiếp nhận di động với băng thông rộng 20MHz, băng thông tối đa theo chuẩn công nghệ Super 3G Họ tiếp tục thử nghiệm khả năng truyền tải kết nối giữa các trạm, chức năng của các ứng dụng ở môi trường trong nhà lẫn ngoài trời

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

W-CDMA

3,5G:

HSPA(HSDPA/HSUPA)

3.9G:

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

Bandwidth(s) 5MHz 1.4,3.0,5,10,15&20MHz

Radio access DS-CDMA SC-FDMA(uplink)

OFDMA(downlink) Peak uplink 384Kbps 5,7Mbps 75Mbps

Peak downlink 384Kbps 14Mbps 300Mbps

1.2 Hướng phát triển của WCDMA

3G LTE là một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WIMAX cũng như nhu cầu

cung cấp dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững

3G LTE hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn 100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps Giống như WIMAX, 3G LTE dựa trên nền gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại Kiến trúc mạng của 3G LTE

sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng 3G LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3G LTE mà không cần thay đổi toàn

bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có 3G LTE sử dụng công nghệ đa truy cập OFDMA cho kênh xuống và SC-FDMA cho kênh lên và nó vẫn dựa trên công nghệ ăng-ten MIMO để đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn

Lợi điểm của WIMAX so với 3G LTE là WIMAX đã sẵn sàng để được triển khai dịch vụ rộng khắp: thiết bị mạng WIMAX đã hoàn thiện, thiết bị đầu cuối WIMAX sẽ có mặt trong năm tới trong khi đó 3G LTE phải đợi thêm vài năm nữa WIMAX vừa cung cấp giải pháp cố định vừa cung cấp giải pháp di động băng rộng với chi phí triển khai thấp hơn so với triển khai một mạng 3G/3G LTE hoàn toàn mới Do vậy, WIMAX thực sự gây được chú ý của các nước đang phát triển mà ở đó mạng 3G chưa có, mạng Internet tốc độ cao bằng cáp xDSL chưa rộng khắp

So với WIMAX, 3G LTE đã có một công nghệ đi trước là 2G, 3G với

số lượng thuê bao đã có sẵn Đây là một lợi thế lớn để triển khai 3G LTE Đặc biệt các thiết bị di động 3G LTE sẽ tương thích với các mạng thông tin di động thế hệ trước, do vậy người dùng sẽ có thể chuyển giao dễ dàng giữa mạng 3G LTE với các mạng 2G GSM/GPRS/EDGE và 3G UMTS đã tồn tại

14