Đồ án Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA

1 MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................................................................ 1 LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ ......................................................... 4 CHƢƠNG 1 .............................................................................................................................................................. 5 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ ...................................................................................................... 5 1.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................................................... 5 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1 .................................................................................... 5 1.2.1. Nguyên lý FDMA .......................................................................................................................... 5 1.2.2. Nhiễu giao thoa kênh lân cận ......................................................................................................... 9 1.3. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2 .................................................................................. 10 1.3.1. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. ...................................................................... 10 1.3.2. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. ....................................................................................... 16 1.4. SO SÁNH DUNG LƢỢNG HỆ THỐNG FDMA,TDMA,CDMA ........................................................ 22 1.5. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA . ............................................................................ 23 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................................................................ 27 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN W-CDMA .............................................................................. 27 2.1. CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ W- CDMA .................................................................................................. 27 2.1.1. Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) .......................................................................... 27 2.1.2. Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ ............................................................................................. 29 2.1.3. Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến .............................................................. 30 2.1.4. Ứng dụng các ƣu điểm của công nghệ W-CDMA trong các hệ thống di động ............................ 30 2.2. CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG W- CDMA ................................................... 34 2.2.1. Ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ ......................................................................... 34 2.2.2. Tìm nhận ô ................................................................................................................................... 38 2.2.3. Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................................................... 42 2.2.4. Các công nghệ để thoả mãn các yêu cầu về chất lƣợng khác nhau trong truyền dẫn đa tốc độ . .. 42 2.2.5. Phân tập đa dạng .......................................................................................................................... 52 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................................................................ 60 CẤU TRÚC MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN .................................................................................................. 60 3.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA W-CDMA ....................................................................................................... 60 3.1.1. Hiệu suất sử dụng tần số cao ........................................................................................................ 60 3.1.2. Dễ quản lý tần số .......................................................................................................................... 60 3.1.3. Công suất phát của máy di động thấp ........................................................................................... 60 3.1.4. Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đƣờng lên và đƣờng xuống ................ 61 3.1.5. Nhiều tốc độ số liệu ...................................................................................................................... 61 3.1.6. Cải thiện các giải pháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia .......................................................... 61 3.1.7. Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu ....................................................................................................... 62 3.2. CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA W-CDMA ................................................................... 62 3.3. CẤU TRÚC CỦA MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN ........................................................................ 63 3.4. CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT TRONG W-CDMA ...................................................................... 65 3.4.1. Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đƣờng xuống ............................... 65 3.4.2. Truyền dẫn OVSF ........................................................................................................................ 66 3.4.3. Cấu trúc hoa tiêu .......................................................................................................................... 66 2 3.4.4. Phƣơng pháp truy nhập gói .......................................................................................................... 66 3.4.5. Các mã Turbo ............................................................................................................................... 67 3.4.6. TPC .............................................................................................................................................. 67 3.4.7. Phân tập truyền dẫn ...................................................................................................................... 68 3.5. KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG (HAI CHIỀU ) PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN (TDD) VÀ KỸ THUẬT THU PHÁT SONG CÔNG PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ (FDD) ................................................ 68 KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................ 69 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................................................... 71 3 LỜI MỞ ĐẦU Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động đƣợc coi nhƣ là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng. Thành công của con ngƣời trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới, các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hƣớng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lƣợng dịch vụ cao. 3G - Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 là cái đích trƣớc mắt mà thế giới đang hƣớng tới. Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động. Kết quả là một sản phẩm đƣợc gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000). IMT-2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng ƣớc mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào. Để đƣợc nhƣ vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và/hoặc vệ tinh. Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phƣơng tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng.. Các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc xây dựng theo tiêu chuẩn GSM, IS-95, PDC, IS-38 phát triển rất nhanh vào những năm 1990. Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dùng FDMA hoặc TDMA. Khi chúng ta tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào quên lãng. Con đƣờng GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000. Tại Việt Nam, thị trƣờng di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ tƣơng đối nhanh. Cùng với hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, Công Ty Viễn thông Quân đội (Vietel), S-fone và mới nhất là Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội và Viễn Thông Điện Lực tham gia vào thị trƣờng di động chắc hẳn sẽ tạo ra một sự cạnh tranh lớn giữa các nhà cung cấp dịch vụ, đem lại một sự lựa chọn phong phú cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụ di động Việt Nam không chỉ sử dụng các biện pháp cạnh tranh về giá cả mà còn phải nỗ lực tăng cƣờng số lƣợng dịch vụ và nâng cao chất lƣợng dịch vụ để chiếm lĩnh thị phần trong nƣớc . Điều đó có nghĩa rằng hƣớng tới 3G không phải là một tƣơng lai xa ở Việt 4 Nam. Trong số các nhà cung cấp dịch vụ di động ở Việt Nam, ngoài hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, còn có Vietel đang áp dụng công nghệ GSM và cung cấp dịch vụ di động cho phần lớn thuê bao di động ở Việt Nam. Vì vậy khi tiến lên 3G, chắc chắn hƣớng áp dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3 phải đƣợc xem xét nghiên cứu. Xuất phát từ ý tƣởng muốn tìm hiểu công nghệ W-CDMA và mạng W-CDMA em đã thực hiện đồ án: “Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA). Đi sâu phân tích đặc điểm của quá trình xử lý băng rộng trong hệ thống WCDMA . ”. Đồ án này em trình bày gồm 3 chƣơng với các nội dung chính sau : Chƣơng 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động số Chƣơng này đã giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động và sự cần thiết của việc xây dựng hệ thống thông tin di động thứ 3 . Chƣơng 2 : Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA Chƣơng này trình này về các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W-CDMA và ứng dụng của nó trong các hệ thống di động . Chƣơng 3 : Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG SỐ 1.1. GIỚI THIỆU Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ.Thế hệ không dây thứ 1 là thế hệ thông tin tƣơng tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia phân chia theo tần số (FDMA).Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lƣợng và ứng dụng so với các thế hệ trƣớc đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện gói là thế hệ đang đƣợc triển khai ở một số quốc gia trên thế giới. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động trên thế giới đƣợc thể hiện sự phát triển của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS : Cellular Mobile Telephone System) và nhắn tin (PS : Paging System) tiến tới một hệ thống chung toàn cầu trong tƣơng lai. 1.2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1 Phƣơng pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số . Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phƣơng pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tƣơng tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tƣơng tự để mang dữ liệu thoại của mỗi ngƣời sử dụng .Với FDMA , khách hàng đƣợc cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận đƣợc dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lƣu lƣợng ngƣời dùng . Trong trƣờng hợp nếu số thuê bao nhiều hơn so với các kênh tần số có thể, thì một số ngƣời bị chặn lại không đƣợc truy cập. 1.2.1. Nguyên lý FDMA Trong phƣơng pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B Mhz đƣợc chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con đƣợc ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz (hình 1.1). Trong dạng đa truy nhập này các máy vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau. Cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chiếm để phòng ngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động. Máy thu đƣờng xuống hoặc đƣờng lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp. 6 Nhƣ vậy FDMA là phƣơng thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh đƣợc cấp phát một tần số cố định. Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải đƣợc phân chia và quy hoạch thống nhất trên toàn thế giới. Hình 1.1. FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của một máy thuê bao phải hoặc đƣợc phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhƣng khoảng thời gian phát thu khác nhau. Phƣơng pháp thứ nhất đƣợc gọi là ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) còn phƣơng pháp thứ hai đƣợc gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex). Phƣơng pháp thứ nhất đƣợc mô tả ở hình 1.2. Trong phƣơng pháp này băng tần dành cho hệ thống đƣợc chia thành hai nửa: một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band). Trong mỗi nửa băng tần ngƣời ta bố trí các tần số cho các kênh (xem hình 1.2a) . Trong hình 1.2a các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số đƣợc gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần số sẽ đƣợc sử dụng cho máy phát còn một tần số đƣợc sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách giữa hai tần số này đƣợc gọi là khoảng cách thu phát hay song công. Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băng đƣợc gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận (Δx), khoảng cách này phải đƣợc chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho trƣớc (SNR: Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau. Nhƣ vậy mỗi kênh bao gồm một cặp tần số: một tần số ở băng tần thấp và một tần số ở băng tần cao để đảm bảo thu phát song công. Thông thƣờng ở đƣờng phát đi từ trạm gốc (hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu ở trạm đầu cuối) đƣợc gọi là đƣờng xuống, còn đƣờng phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gốc (hay trạm phát đáp) đƣợc gọi là đƣờng lên. Khoảng cách giữa hai tần số . . . Đoạn bảo vệ B/n MHZ Nhiễu kênh lân cận 1 2 3 4 n B MHZ 7 đƣờng xuống và đƣờng lên là ΔY nhƣ thấy trên hình vẽ. Trong thông tin di dộng tần số đƣờng xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đƣờng lên để suy hao ở đƣờng lên thấp hơn đƣờng xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn. Trong trong thông tin vệ tinh thì tuỳ thuộc vào hệ thống, tần số đƣờng xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần số đƣờng lên, chẳng hạn ở các hệ thống sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặt đất lớn ngƣời ta thƣờng sử đụng tần số đƣờng lên cao hơn đƣờng xuống, ngƣợc lại ở các hệ thống thông tin vệ tinh (nhƣ di động chẳng hạn) do trạm mặt đất nhỏ nên tần số đƣờng lên đƣợc sử dụng thấp hơn tần số đƣờng xuống. Ký hiệu ∆x: Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận ∆y: Khoảng cách tần số thu phát B: Băng thông cấp phát cho hệ thống f0: Tần số trung tâm f’i: Tần số đường xuống fi: Tần số đường lên Hình 1.2. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD f1 f 2 f3 fn-1 fn f n-1 f n f 0 f 1 f 2 f 3 Nửa băng thấp Nửa băng cao B Trạm gốc MS1 MS2 MS3 f’1 f’2 f’3 8 Trong phƣơng pháp thứ hai (FDMA/TDD) cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhƣng phân chia theo thời gian) khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phƣơng pháp ghép song công theo thời gian: TDD). Phƣơng pháp này đƣợc mô tả ở hình 1.3. Hình 1.3 cho thấy kênh vô tuyến giƣã trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử dụng một tần số fi cho cả phát và thu. Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trƣớc tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian đƣợc ký hiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian đƣợc ký hiệu là Rx, sau đó nó lại phát ở khe Tx ... Ký hiệu ∆x: Khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận B: Băng thông cấp phát cho hệ thống fi: Tần số chung cho cả đường xuống và đường lên Hình 1.3. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD f1 f 2 f3 f n-1 f n B Trạm gốc . . . . . . MS1 MS2 MS3 RX RX TX TX f 1 f 2 RX RX TX TX RX RX TX TX f 3 a) b) 9 1.2.2. Nhiễu giao thoa kênh lân cận Từ hình 1.1 ta thấy độ rộng của kênh bị chiếm dụng bởi một số sóng mang ở các tần số khác nhau. Các sóng mang này đƣợc phát đi từ một trạm gốc đến tất cả các máy vô tuyến đầu cuối nằm trong vùng phủ của anten trạm này. Máy thu của các máy vô tuyến đầu cuối phải lọc ra các sóng mang tƣơng ứng với chúng, việc lọc sẽ đƣợc thực hiện dễ dàng hơn khi phổ của các song mang đƣợc phân cách với nhau bởi một băng tần bảo vệ rộng. Tuy nhiên việc sử dụng băng tần bảo vệ rộng sẽ dẫn đến việc sử dụng không hịêu quả độ rộng băng tần của kênh. Vì thế phải thực hiện sự dung hòa giữa kỹ thuật và tiết kiệm phổ tần. Dù có chọn một giải pháp dung hòa nào đi nữa thì một phần công suất của sóng mang lân cận với một sóng mang cho trƣớc sẽ bị thu bởi máy thu đƣợc điều hƣởng đến tần số của sóng mang cho trƣớc nói trên. Điều này dẫn đến nhiễu do sự giao thoa đƣợc gọi là nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference). Dung lƣợng truyền dẫn của từng kênh (tốc độ bit Rb) xác định độ rộng băng tần điều chế (Bm) cần thiết nhƣng phải có thêm một khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giao thoa giữa các kênh lân cận nên Bm < B/n. Do vậy dung lƣợng thực tế lớn hơn dung lƣợng cực đại nhận đƣợc bởi một kỹ thuật điều chế cho trƣớc.Vì vậy hiệu suất sử dụng tần số thực sự sẽ là n/B kênh lƣu lƣợng trên MHz. Trong các hệ thống điện thoại không dây FDMA điển hình của châu Âu hiệu suất sử dụng tần số thực của các hệ thống điện thoại không dây là 20 kênh/Mhz còn đối với điện thoại không dây số là 10 kênh/MHz. Về mặt kết cấu, FDMA có nhƣợc điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền đƣợc một Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lƣợng thì phải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm. Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tần số vô tuyến cho các kênh này. Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD). Ở phƣơng pháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian phát thu luân phiên (hình 1.3). Phƣơng pháp FDMA ít nhậy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóng, không cần đồng bộ và không xẩy ra trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiều, vì vậy giảm trễ hồi âm. 10 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1sử dụng phƣơng pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời dùng về cả dung lƣợng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đƣa ra hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ƣu điểm hơn thế hệ 1về cả dung lƣợng và các dịch vụ đƣợc cung cấp. 1.3. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG THẾ HỆ 2 Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lƣợng và chất lƣợng, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đƣợc đƣa ra để đáp ứng kịp thời số lƣợng