Khóa luận Mô hình lớp vật lý CDMA2000 kênh xuống

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Đình Hưng MÔ HÌNH LỚP VẬT LÝ CDMA2000 KÊNH XUỐNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Viễn Thông HÀ NỘI - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Đình Hưng MÔ HÌNH LỚP VẬT LÝ CDMA2000 KÊNH XUỐNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Viễn Thông Cán bộ hướng dẫn: TS Trịnh Anh Vũ Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS Hà Nam Trung HÀ NỘI-2005 Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống MỤC LỤC Tóm tắt nội dung ...................................................................................................... iv Mở đầu....................................................................................................................... 2 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 (3G)3 1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động và một số yêu cầu đối với hệ thống 3G .......................................................................................................................... 3 1.1.1. Lịch sử phát triển..................................................................................... 3 1.1.2. Những yêu cầu đối với hệ thống 3G. ...................................................... 4 1.2. CDMA IS-95 (CDMA One) nâng cấp lên 3G ............................................... 8 1.2.1. CDMA IS-95B ........................................................................................ 9 1.2.2. CDMA2000 1X EV-DO,EV-DV.......................................................... 10 1.3. Giới thiệu CDMA2000................................................................................. 11 1.3.1. Cấu trúc mạng ....................................................................................... 11 1.3.2. Chức năng các phần tử trong mạng: ..................................................... 12 1.3.3. Thủ tục truyền dữ liệu gói trong mạng CDMA2000 ............................ 15 1.4. Các kĩ thuật sử dụng trong hệ thống 3G ..................................................... 16 1.4.1. Giới thiệu về CDMA............................................................................. 16 1.4.2. DS- CDMA ........................................................................................... 17 1.4.3. MC –CDMA.......................................................................................... 18 CHƯƠNG II : MÔ HÌNH LỚP VẬT LÝ CDMA2000- KÊNH XUỐNG............. 23 2.1. Quá trình mã hoá và điều chế cho kênh lưu lượng ...................................... 23 2.1.1. Mã hoá CRC.......................................................................................... 23 2.1.2. Mã xoắn................................................................................................. 23 i Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống 2.1.3. Lặp kí hiệu mã....................................................................................... 25 2.1.5. Đan xen khối trong CDMA2000: ......................................................... 26 2.2. Kĩ thuật điều chế và trải phổ ....................................................................... 27 2.2.1. Kĩ thuật điều chế ................................................................................... 27 2.2.2. Kĩ thuật trải phổ trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK ........ 29 2.3. Mã giả tạp âm và mã Walsh. ........................................................................ 32 2.3.1. Tìm hiểu dãy mã PN: ............................................................................ 32 2.2.3. Mã Walsh .............................................................................................. 33 2.4. Các kênh trong CDMA2000 ........................................................................ 33 2.4.1. Lớp vật lý .............................................................................................. 33 2.4.2. Quy ước đặt tên kênh ............................................................................ 36 2.4.3. Các kênh vật lý liên kết đường xuống .................................................. 37 2.5. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐƯỜNG XUỐNG ......................................... 48 2.5.1. Truyền dẫn đơn và đa sóng mang ......................................................... 48 2.5.2. Phân tập phát ......................................................................................... 49 2.5.3. Điều chế trực giao ................................................................................. 50 2.5.4. Điều khiển công suất. ............................................................................ 50 2.5.5. Điều chế và trải phổ .............................................................................. 51 2.5.6. Các đặc tính quan trọng của đường xuống............................................ 51 CHƯƠNG III. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CDMA2000-1xRTT VÀ KẾT QUẢ CHẠY THỬ NGHIỆM ................................................................................. 53 3.1. Khối phát chuỗi dữ liệu............................................................................... 53 3.2. Khối mã hoá ................................................................................................. 53 3.2.1. Khối Chèn mã vòng CRC ..................................................................... 54 ii Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống 3.2.2. Khối chèn bit đuôi ................................................................................. 54 3.2.3. Khối mã xoắn ........................................................................................ 55 3.2.4. Khối lặp ................................................................................................. 55 3.2.6. Khối ghép xen ....................................................................................... 56 3.3. Khối phát ...................................................................................................... 57 3.3.1. Khối xáo trộn mã dài và ghép bit điều khiển công suất........................ 57 3.3.2. Khối trải phổ.......................................................................................... 58 3.4. Khối kênh truyền.......................................................................................... 59 3.4.1. Khối đa đường Fading........................................................................... 59 3.4.2. Khối Cộng tạp âm trắng ........................................................................ 60 3.5. Khối thu........................................................................................................ 61 3.5.1. Khối lọc ................................................................................................. 61 3.5.2. Bộ thu Rake:.......................................................................................... 62 3.5.3. Khối ánh xạ tín hiệu .............................................................................. 62 3.5.4 Khối giải xáo trộn và tách bit điều khiển công suất............................... 63 3.6. Khối giải mã ................................................................................................. 63 3.6.2. Khối giải đục lỗ ..................................................................................... 64 3.6.3. Khối giải lặp .......................................................................................... 64 3.6.5. Khối tách bit chèn đuôi ............................................................................. 65 3.6.6. Khối tách bit mã CRC........................................................................... 65 3.7. Các khối khác ............................................................................................... 65 3.7.1. Khối tính toán chỉ thị lỗi ........................................................................... 65 3.7.2. Khối quyết định cứng................................................................................ 66 3.8. kết quả mô phỏng trên kênh truyền.............................................................. 66 iii Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống Danh mục từ viết tắt 1G First Generation Hệ thống thông tin di động thế thế hệ 1 1X-EV-DO CDMA 2000 1x Evolution Hệ thống CDMA 2000 1x chỉ nâng cấp 1X-EV-DV CDMA 2000 1x Data and Hệ thống CDMA2000 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế thế hệ 2 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế thế hệ 3 AMC Adaptive Modulation Coding Mã hoá và điều chế thích nghi AMPS Advanced Mobile Phone Dịch vụ điện thoại di động tiên AAA Authorisation, Authentication Nhận thực, trao quyền và and Accounting thanh toán ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động Association ATDPICH Auxiliary Transmision Diversity Kênh hoa tiêu phân tập phát B-ISDN Broacast ISDN ISDN băng rộng BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc CDMA Code Division Multi Accsess Đa truy Cập theo Mã CPCH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư thừa D-AMPS Digital AMPS AMPS số dẫn DHCP Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình động Protocol Máy chủ DPDCH Dedicated Phisycal Data Channel Kênh vật lý dữ liệu dành iv Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống DPLICF Phisical Layer Dependent Chức năng hội tụ phụ Convergence Function Thuộc lớp vật lý DS-CDMA Direct Sequence Spread CDMA chuỗi trực tiếp DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp F-BCH Forward Broacast Channel Kênh quảng bá F-CACH Common Assignment Channel Kênh ấn định chung F-CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung F-CPCCH Common Power Control Channel Kênh điều khiển công suất F-DAPICH Dedicated Auxixiliary Pilot Kênh hoa tiêu phụ dành F-DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy cập theo tần số FER Frame Error Rate Tỉ lệ lỗi khung F-FCH Forward Fundamental Channel Kênh cơ bản đường xuống FH-CDMA Frequency Hopping CDMA CDMA trải phổ nhảy tần F-PCH Forward Paging Channel Kênh nhắn tin đường xuống F-PICH Forward Pilot Channel Kênh hoa tiêu đường xuống F-QPCH Forward Quick Paging Channel Kênh nhắn tin nhanh đường F-SCH Forward Supplemental Channel Kênh bổ xung đường xuống F-SYNC Forward Sync Channel Kênh đồng bộ đường xuống F-TDPICH Transmision Diversity Pilot Kênh hoa tiêu phân tập phát Channel GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu HA Home Agent Trạm chủ thường trú IMT-2000 International Mobile Tiêu chuẩn viễn thông di động quốc tế v Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống IP Internet Protocol Giao thức internet IS-95 North American Version Một phiên bản CDMA Bắc Mĩ ISDN Intergrated Service Digital Mạng số liệu đa dịch vụ Network ITU International Liên đoàn viễn thông Quốc tế LAC Location Area Code Mã định vị MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MC Multi Carrier Đa sóng mang MC-CDMA Multi Carrier CDMA CDMA đa sóng mang MC-SS Multi Carrier Spread Spectrum Trải phổ đa sóng mang MS Mobile Station Máy di động MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MUD Multi-User Detection Phát hiện nhiều người sử dụng Multiplexing số trực giao NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NTT Nippon Telegraph and Hệ thống do NTT phát triển of the CDMA standard OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần OTD Orthogonal Transmit Diversity Phân tập phát trực giao PCS Personal Communications Hệ thống thông tin cá nhân PDC Pacific Digital Communication Hệ thống thông tin di động của Nhật PDSN Packet Data Serving Node Nút dịch vụ dữ liệu gói PCH Pilot Channel Kênh hoa tiêu PLDCF Physical Layer Independent Chức năng hội tụ phụ thuộc lớp PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm đến điểm vi Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương RBP Radio Burst Protocol Giao thức cụm vô tuyến RC Radio Configuration Cấu hình vô tuyến RLAC Radio Link Access Control Điều khiển truy nhập liên kết RLP Radio Link Protocol Giao thức liên kết vô tuyến SMS Short Message Service Dịch vụ bản tin ngắn SR Spread Rate Tốc độ trải phổ SRBP ` Signalling Radio Burst Protocol Giao thức cụm vô tuyến báo SRLP Signalling Radio Link Protocol Giao thức liên kết vô tuyến báo hiệu TACS Total Access Communication Hệ thống thông tin truy nhập TCP Transmision Control Protocol Thủ tục điều khiển truyền TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multi Access Đa truy nhập theo thời gian TH-CDMA Time Hopping CDMA CDMA nhảy thời gian TIA Telecommunications Industry Hiệp hội viễn thông công nghiệp UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người sử dụng UE User Equipment Thiết bị người sử dụng VLR Visitor Location Resister Thanh ghi định vị tạm trú vii Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống Tóm tắt nội dung Nội dung của khoá luận này nghiên cứu và tìm hiểu về mô hình lớp vật lý của hệ thống thông tin di động CDMA2000- Kênh xuống, và thực hiện mô phỏng kết quả thu được trên phần mềm Matlab. Trong phần cơ sở lý thuyết giới thiệu chung về công nghệ CDMA và quá trình nâng cấp từ CDMA One lên CDMA 2000, mô hình của hệ thống thông tin di động CDMA2000. Cơ sở lý thuyết của lớp vật lý với các quá trình tổ chức các bit thành khung và biến đổi thành sóng để truyền, với các thông số của lý thuyết. Trong phần thực nghiệm mô phỏng, khoá luận tìm hiểu nghiên cứu về sơ đồ mô phỏng của hệ thống CDMA2000 với các thông số của sơ đồ mô phỏng đã cho (mã kênh, mã CRC, ghép xen…..) và đưa ra một số kết quả thu được về tốc độ kênh cơ bản đường xuống, nhằm đánh giá đường truyền của CDMA2000 1 Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống Mở đầu Từ khi ra đời đến nay, mạng thông tin di động CDMA đã góp phần đáng kể trong việc thúc đẩy sự phát triển của thị trường thông tin di động trên thế giới. Tuy nhiên sau hơn 10 năm phát triển mạng thông tin di động thế hệ 2 này bắt đầu bộc lộ những hạn chế của nó so với nhu cầu về dịch vụ tốc độ cao và băng thông rộng đang ngày một tăng. Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000 cho thông tin di động thế hệ 3. IMT-2000 được chia thành các nhóm trên cơ sở TDMA và CDMA. Và CDMA2000 là một bộ phận của CDMA2000 trải phổ trực tiếp và CDMA đa sóng mang. CDMA 2000 1x RTT là một trong những hướng đi quan trọng nhưng nó cũng mang đầy đủ các đặc tính của công nghệ 3G và khắc phục những nhược điểm của công nghệ 2G. Mạng CDMA 2000 1x RTT sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và có khả năng đáp ứng những dịch vụ thông tin tiên tiến. CDMA là công nghệ mới và những kiến thức về nó là khá lớn đòi hỏi phải có nhiều thời gian để nghiên cứu tìm hiểu. Trong khoá luận này chỉ đề cập đến mô hình lớp vật lý của CDMA2000-kênh xuống thông qua phần mềm mô phỏng trên matlab với các thông số đã cho nhằm đánh giá về kênh truyền xuống. Khoá luận này gồm 3 chương: Chương 1 nêu lên khái niệm chung về công nghệ 3G. Chương 2 nêu lên mô hình lớp vật lý của CDMA2000 về mặt lý thuyết và Chương 3 thực hiện mô phỏng trên sơ đồ. Cuối cùng là kết luận. Do hạn chế về mặt thời gian và tài liệu tham khảo, cũng như mô phỏng hệ thống khoá luận này chỉ đề cập tới một khía cạnh trong mạng CDMA2000 đó là mô hình lớp vật lý kênh xuống và một số kết quả mô phỏng trên sơ đồ. Những thiếu sót và hạn chế là không thể tránh khỏi. Mong nhận được những ý kiến đóng góp để bản khoá luận này được hoàn thiện hơn. 2 Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 (3G) 1.1. Lịch sử phát triển của thông tin di động và một số yêu cầu đối với hệ thống 3G 1.1.1. Lịch sử phát triển Như chúng ta đã biết, tính đến nay, thông tin di động đã phát triển qua các thế hệ khác nhau. Thế hệ thứ nhất –1G là hệ thống thông tin tương tự hoặc bán tương tự. Hệ thống này được xây dựng vào những năm 80 của thế kỉ trước, ví dụ như NMT và AMPS. Những hệ thống thông tin di động 1G cung cấp chủ yếu là thoại cũng như các dịch vụ liên quan đến thoại. Các hệ thống thông tin thế hệ thứ nhất phát triển trong phạm vi quốc gia, những yêu cầu kĩ thuật của hệ thống này chủ yếu được xây dựng trên cơ sở thoả thuận các nhà điều hành viễn thông của chính phủ với các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông mà không có chuẩn phổ biến rộng rãi. Do vậy, các hệ thống thông tin di động 1G không có khả năng tương thích lẫn nhau. Do yêu cầu thông tin di động ngày càng tăng, đặc biệt là nhu cầu cần xây dựng một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Các tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế bắt đầu xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2- 2G. Mục tiêu của hệ thống 2G là khả năng tương thích và đồng nhất trong môi trường quốc tế. Hệ thống phải có khả năng phục vụ trong một khu vực (ví dụ như Châu Âu) mọi người sử dụng phải có khả năng truy nhập hệ thống tại bất kì nơi nào trong khu vực đó. Theo quan điểm người sử dụng hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ xung khác. Do các tiêu chuẩn này chỉ thực hiện trong khu vực, nên khái niệm thông tin di động toàn cầu không thực hiện được và trên thị trường tồn tại một số hệ thống 2G, tiêu biểu như hệ thống: GSM, IS-95 và PDC. Trong số đó hệ thống GSM là sử dụng phổ biến rộng rãi nhất. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3-3G ra đời với mục tiêu là hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. Khác với các dịch vụ được cung cấp bởi các những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại. Hệ thống 3G nhằm 3 Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến. Có thể nói rằng, khái niệm IMT-2000 được ITU đưa ra theo mô hình từ trên xuống. Trước tiên, các yêu cầu về dịch vụ và chất lượng được đưa ra, sau đó các tổ chức chuẩn hoá và các nhà công nghiệp, khai thác sẽ tiến tới thiết kế mạng đáp ứng các nhu cầu này. ITM-2000 UMTS GSM PDC D-AMPS TDMA CDMA IS-95 AMPS TACSNMTNTT thế hệ thứ ba thế hệ thứ hai thế hệ thứ nhất Hình 1: Sơ đồ sự phát triển các hệ thống thông tin di động 1.1.2. Những yêu cầu đối với hệ thống 3G. Hệ thống tổ ong thế hệ thứ ba ra đời là bước phát triển hoàn thiện của thông tin di động có thể đáp ứng nhu cầu hiện nay của khách hàng. Hệ thống này phải có nhiều loại hình dịch vụ như các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao, video và truyền thanh hệ thống thông tin 3G phải đáp ứng những tiêu chuẩn sau do một số tổ chức đứng ra tiêu chuẩn. Đây là một số tiêu chuẩn do IMT2000 và ITU đề ra: 4 Mô hình lớp vật lý CDMA2000-kênh xuống • Tốc độ truyền dữ liệu tốc độ cao 144kbps hoặc 384kbps cho vùng phủ rộng ngoài trời và 2Mbps cho vùng phủ hẹp trong nhà. • Chất lượng thoại tương đương với mạng hữu tuyến. • Hỗ trợ cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, truyền dữ liệu không đối xứng. • Có thể cung cấp cả dịch vụ di động và cố định. • Có khả năng chuyển vùng quốc gia và quốc tế, hỗ trợ cấu trúc cell nhiều lớp. • Cơ cấu tính cước mới theo dung lương thay cho cách tính cước theo thời gian như hiện nay. Đây là những tiêu chuẩn mà tổ chưc tư vấn về viễn thông quốc tế ITU và tổ chức IMT2000 đưa ra nhằm xây dựng mạng viễn thông thế hệ 3 tiên tiến nhằm thoả mãn các tiêu chuẩn cho phép thiết lập một cơ sở hạ tầng thông tin vô tuyến toàn