4 7 16 ứng dụng các dsp khả trình trong 3g

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------- o0o ----------

LUẬN VĂN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
ỨNG DỤNG CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG 3G

Người thực hiện: Nguyễn Trung Hiếu
Lớp:
D2001VT
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Hà Nội 10/2005
Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

1


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA VIỄN THÔNG 1
-----o0o---------o0o-----

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên : Nguyễn Trung Hiếu
Lớp

: D2001VT

Khoá

: 2001 – 2006

Ngành

: Điện tử - Viễn thông

TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG 3G
NỘI DUNG
-

Tổng quan hệ thống thơng tin di động 3G

-

Các DSP khả trình trong máy cầm hai chế độ (2G và 3G)

-

Các DSP khả trình trong các modem trạm gốc 3G

-

Sử dụng DSP khả trình trong xử lý dàn anten

Ngày giao đề tài: 20/7/2005
Ngày nộp đề tài : 20/10/2005

Ngày

tháng

năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

2


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Điểm :

(Bằng chữ :

)
Ngày

tháng

năm 2005

TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

3


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI

PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Điểm :

(Bằng chữ :

)
Ngày

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

tháng

năm 2005

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thơng tin di động..............................................2
Hình 1.2: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS....................4
Hình 1.3: Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999...................................................4
Hình 1.4: Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP..................................................6
Hình 2.1: Sự khái quát chung theo chức năng của việc xử lý lớp vật lý trong DSP.....12
Hình 2.2: Khái niệm hai chế độ.....................................................................................14
Hình 2.3: Hoạt động liên hệ thống................................................................................15
Hình 2.4: Các yêu cầu xử lý tương quan của mỗi khối chức năng trong các kịch bản
(A, B, và C). Xử lý được biểu diễn dưới dạng các hoạt động (hàng triệu hoạt động
trong một giây)..............................................................................................................16
Hình 2.5: Các chức năng phân chi HW/SW..................................................................17
Hình 2.6: Ví dụ bộ đồng xử lý ghép chặt......................................................................21
Hình 2.7: Hệ thống dựa trên bộ đồng xử lý (bộ tương quan) ghép lỏng.......................23
Hình 3.1: Sơ đồ khối cho trạm gốc CDMA băng rộng mô tả các chức năng chính......30
Hình 3.2: Kiến trúc mức cao bộ đồng xử lý giải mã Viterbi.........................................37
Hình 3.3: Đường số liệu tầng cơ số 16 của tính tốn ma trận trạng thái.......................38
Hình 3.4: Bộ mã hóa Turbo...........................................................................................39

Hình 3.5: Kiến trúc bộ đồng xử lý Turbo......................................................................40
Hình 3.6: Kiến trúc bộ giải mã MAP............................................................................41
Hình 3.7: Ví dụ của việc thực hiện sử dụng CCP..........................................................42
Hình 4.1: Lựa chọn một mẫu anten cố định để tăng cường thu SOI.............................46
Hình 4.2: Mơ hình bộ phát và phần tử dàn....................................................................46
Hình 4.3: Mơ hình bộ tạo búp sóng tuyến tính xử lý tại bộ thu....................................49
Hình 4.4: Bộ tạo búp sóng tuyến tính xử lý tại bộ thu..................................................51
Hình 4.5: Bộ xử lý chung cho một bộ tạo búp sóng mờ................................................62
Hình 4.6: Mơ hình búp sóng phát và thu.......................................................................75

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

5


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................i
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...........................................................................................ii
LỜI NĨI ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G.................................2
1.1 Giới thiệu............................................................................................................2
1.2 Các mơ hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động 3G...........................3
1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G..............................................3
1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3.....................................4
1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5.....................................6
1.3 Các DSP khả trình trong hệ thống thông tin di động 3G....................................8
CHƯƠNG 2: CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ
(2G và 3G).....................................................................................................................9
2.1 Giới thiệu............................................................................................................9
2.2 Các tiêu chuẩn vô tuyến....................................................................................10

2.3 Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức năng.....................12
2.4 Mô tả chức năng một hệ thống hai chế độ........................................................14
2.5 Phân tích tính phức tạp và phân chia HW/SW.................................................16
2.6 Các phương pháp thiết kế phần cứng................................................................18
2.6.1 So sánh giữa kiến trúc phân tán với kiến trúc tập trung...........................18
2.6.2 Phương pháp bộ đồng xử lý.....................................................................19
2.6.3 Vai trò của DSP trong 2G và chế độ kép.................................................24
2.7 Xử lý phần mềm và giao diện với các lớp cao hơn...........................................26
2.8 Tổng kết............................................................................................................27
CHƯƠNG 3: CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G. .28
3.1 Giới thiệu..........................................................................................................28
3.2 Tổng quan về các trạm gốc 3G: Các yêu cầu...................................................29
3.2.1 Giới thiệu..................................................................................................29
3.2.2 Các yêu cầu chung....................................................................................29
3.2.3 Xử lý băng tần gốc trạm gốc CDMA cơ bản............................................30
3.2.4 Xử lý tốc độ ký hiệu (SR)........................................................................31
3.2.5 Xử lý tốc độ chip (CR).............................................................................31
3.2.5.1 Bộ tìm kiếm: Bộ tìm kiếm truy nhập và bộ tìm kiếm lưu lượng.....32
3.2.5.2 Bộ giải trải phổ RAKE....................................................................33
3.3 Phân tích hệ thống.............................................................................................33
3.3.1 Phân tích xử lý SR....................................................................................33
3.3.2 Phân tích xử lý CR...................................................................................35
Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

6


3.3.2.1 Phân tích bộ thu đường lên..............................................................35
3.3.2.2 Sử dụng một bộ đồng xử lý.............................................................36
3.4 Các giải pháp bộ đồng xử lý mềm dẻo.............................................................37

3.4.1 Bộ đồng xử lý giải mã xoắn Viterbi.........................................................37
3.4.2 Bộ đồng xử lý giải mã turbo.....................................................................39
3.4.3 Bộ đồng xử lý tương quan........................................................................41
3.5 Tổng kết............................................................................................................43
CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG DSP KHẢ TRÌNH TRONG XỬ LÝ DÀN ANTEN.....45
4.1 Giới thiệu..........................................................................................................45
4.2 Mơ hình tín hiệu dàn anten...............................................................................46
4.3 Các kỹ thuật tạo búp sóng tuyến tính................................................................50
4.3.1 Đạo hàm gần đúng cực đại.......................................................................51
4.3.2 Sự thích ứng trung bình bình phương nhỏ nhất........................................55
4.3.3 Xử lý các bình phương nhỏ nhất..............................................................56
4.3.4 Sự thích ứng tín hiệu mờ..........................................................................61
4.3.5 Các ràng buộc không gian con.................................................................64
4.3.6 Khai thác tuần hồn tĩnh...........................................................................66
4.3.7 Các kỹ thuật bộ tạo búp sóng phát...........................................................68
4.4 Tách tín hiệu đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)....................................................76
4.4.1 Mơ hình hệ thống tuyến tính MIMO........................................................76
4.4.2 Dung lượng của các kênh truyền thơng MIMO.......................................79
4.4.3 Ước tính tuyến tính của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền
thơng MIMO.....................................................................................................80
4.4.3.1 Tách sóng khử về 0 (Zero-Forcing Detection)................................81
4.4.3.2 Tách sóng lỗi trung bình bình phương cực tiểu tuyến tính..............81
4.4.3.3 Ước tính tuyến tính thích ứng mờ....................................................82
4.4.4 Ước tính phi tuyến của các tín hiệu mong muốn trong các hệ thống truyền
thơng MIMO.....................................................................................................84
4.4.4.1 Tách sóng gần giống cực đại...........................................................84
4.4.4.2 Khử nhiễu nối tiếp...........................................................................85
4.4.4.3 Khử nhiễu song song.......................................................................86
4.5 Tổng kết............................................................................................................88
KẾT LUẬN.................................................................................................................89

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................90

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

7


Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
3GPP

3G Partnership Project

Dự án hợp tác 3G

ACS
AFC
AGC
API
ARIB

Add, Compare and Select
Automatic Frequency Control
Automatic Gain Control
Application Programming Interface
Association Industry and Business

ASIC

Application Specific Integrated
Circuits
Asynchronous Transfer Mode
Additive White Gaussian Noise

Cộng, so sánh và lựa chọn
Điều khiển tần số tự động
Điều khiển độ lợi tự động
Giao diện lập trình ứng dụng
Liên hiệp kinh doanh và cơng nghiệp
Nhật Bản
Mạch tích hợp ứng dụng đặc trưng

A

ATM
AWGN

Chế độ truyền tải không đồng bộ
Tạp âm Gaussơ trắng cộng

B
BLAST

Bell-labs-LAyered-Space-Time

BOM
BOPS

BPSK
BTS

Bill of Materials
Billions of Operations Per Second
Binary Phase Shift Keying
Base Transcerver Station

Các thí nghiệm Bell phân lớp khơng
gian - thời gian
Chi phí vật liệu
Hàng tỷ thao tác trên một giây
Điều chế khóa chuyển pha cơ số hai
Trạm thu phát gốc

C
CCP
CCTrCH
CDMA
CM
CMOE
CODEC
CR
CRC
CSB

Correlator Coprocessor
Coded Composite Transport
Channel
Code Division Multiple Access

Constant Modulus
Constrained Minimum Output
Energy
Coder and Decoder
Chip-rate
Cyclic Redundancy Code
Combined Symbol Buffer

Bộ đồng xử lý tương quan
Kênh truyền tải đa hợp được mã hóa

Digital Base Band
Discrete Cosine Tranform
Delay Lock Loop
Direct Memory Access
Discrete Multitone Modulation
Delay Profile Estimation
Direct Sequence CDMA
Digital Signal Processor

Băng tần gốc số
Biến đổi cosin rời rạc
Lặp khóa trễ
Truy nhập bộ nhớ trực tiếp
Điều chế đa tần rời rạc
Ước tính hiện trạng trễ

Đa truy nhập phân chia theo mã
Modul không đổi
Năng lượng đầu ra cực tiểu ràng buộc

Bộ mã hóa và giải mã
Tốc độ chip
Mã dư vịng
Bộ đệm ký hiệu kết hợp

D
DBB
DCT
DLL
DMA
DMT
DPE
DS-CDMA
DSP

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

CDMA chuỗi trực tiếp
Bộ xử lý tín hiệu số

i


Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

E
EDMA
EOL

ETSI

Enhance DMA
Early/On Time/Late
European Telecommunications
Standards Institute

DMA tăng cường
Sớm/đúng lúc/muộn
Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

FCC
FCP
FDD

Federal Communication Comission
Flexible Coprocessor
Frequency Division Duplex

FDD-DS

Frequency Division Duplex-Direct
Sequence
Frequency Division Multiple
Access
Forward Error Correction
Fast Hadamard Transformation
Frequency Modulation
Frequency Shift Keying

Ủy ban thông tin liên bang
Bộ đồng xử lý mềm dẻo
Ghép song công phân chia theo tần
số
Ghép song công phân chia theo tân
số- chuỗi trực tiếp
Đa truy nhập phân chia theo tần số

F

FDMA
FEC
FHT
FM
FSK

Hiệu chỉnh lỗi trước
Biến đổi Hadamard nhanh
Điều chế tần số
Điều chế khóa chuyển tần

G
GOPS
GPRS
GSM

General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Communication

Dịch vụ vơ tuyến gói chung
Hệ thống truyền thơng di động tồn
cầu

HardWare

Phần cứng

Intermediate Frequency
International Mobile
Telecommunications
International Telecommunication
Union

Tần số trung gian
Thông tin di động quốc tế

H
HW

I
IF
IMT
ITU

Ủy ban viễn thông quốc tế

L
LCC
LMMSE

LMS

Loosely Coupled Coprocessor
Bộ đồng xử lý ghép lỏng
Linear Minimum Mean Squared Lỗi trung bình bình phương cực tiểu
Error
tuyến tính
Least Mean Squares

M
MAC
MAP
MGSO

Medium Access Layer
Maximum A Posteriori
Modified Gram-Schmidt
Orthogonalization

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

Lớp truy nhập môi trường
Trực giao hóa Gram-Schmidt thay
đổi

ii


Đồ án tốt nghiệp đại học
MIMO

MIPS
MMU
MRC
MS
MSE
MSK

Thuật ngữ viết tắt

Multiple Input Multiple Output
Million Instructions Per Second
Memory Management Unit
Maximal Ratio Combining
Mobile Station
Mean Square Error
Minimum Shift Keying

Đa đầu vào đa đầu ra
Triệu lệnh trên giây
Khối quản lý bộ nhớ
Tổ hợp tỷ số tối đa
Trạm di động
Lỗi trung bình bình phương
Điều chế dịch pha cực tiểu

Normalized Mean Square Error

Lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa

Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

Parallel Interference Cancellation
Public Land Mobile Network
Pseudo Noise
Phase Shift Keying

Khử nhiễu song song
Mạng di động mặt đất công cộng
Giả tạp âm
Điều chế khóa dịch pha

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng góc

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên
Bộ phân tập RAKE
Cấu hình vơ tuyến
Tần số vơ tuyến
Bình phương đệ quy nhỏ nhất
Bộ điều khiển tài ngun vơ tuyến
Bộ mã hóa xoắn hệ thống đệ quy

N

NMSE

O
OEM
OFDM

P
PIC
PLMN
PN
PSK

Q
QAM
QR

R
RACH
RAKE
RC
RF
RMS
RRC
RSCC

Radio Configuration
Radio Frequency
Recursive Least Squares
Radio Resource Controller
Recursive Systematic Convolution

Coder

S
SCORE
SIC
SINR
SISO
SNR
SOI
SR
SVD
SW

Self-Coherence Restoral
Successive Interference
Cancellation
Signal-to-Interference Noise Power
Ratio
Single Input Single Output
Signal to Noise Ratio
Signal Of Interest
Symbol-rate
Singular Value Decomposition
SoftWare

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

Khử nhiễu liên tiếp
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm, nhiễu
Một đầu vào một đầu ra

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Tín hiệu quan tâm
Tốc độ ký hiệu
Phân tích giá trị duy nhất
Phần mềm

iii


Đồ án tốt nghiệp đại học

Thuật ngữ viết tắt

T
TCC
TDD

Tightly Coupled Coprocessor
Time Division Duplex

TDMA
TI

Time Division Multiple Access
Texas Instruments

Bộ đồng xử lý ghép chặt
Bộ ghép song công phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Dụng cụ Texas

U
UMTS
UTRA
UTRAN

Universal Mobile
Telecommunication System
Universal Terrestrial Radio Access
UMTS Terrestrial Radio Access
Network

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Viterbi Coprocessor
Variable Length Decoding

Bộ đồng xử lý Viterbi
Giải mã chiều dài biến đổi

Wideband Code Division Multiple
Access
Weighted Multi-Slot Average

Đa truy nhập phân chia theo mã băng
rộng
Trung bình đa khe theo trọng số

Truy nhập vơ tuyến mặt đất tồn cầu

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS

V
VCP
VLD

W
WCDMA
WMSA

Nguyễn Trung Hiếu - D2001VT

iv


Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu

......................................................................................LỜI NĨI ĐẦU
Thơng tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát
triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận nhất cho các nhà khai thác. Sự phát triển của
thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các
hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ hai, với GSM
và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy
nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung
lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Sự ra đời của hệ
thống di động thế hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương
tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng.

Đồ án “Ứng dụng các DSP khả trình trong 3G” trình bày những ứng dụng của
các DSP khả trình trong việc thiết kế các thành phần căn bản của hệ thống 3G. Sự hỗ
trợ của các DSP khả trình đối với việc tăng khả năng xử lý, tốc độ xử lý, dung lượng
hệ thống, hiệu suất làm việc của hệ thống 3G. Qua đó thấy được ứng dụng và tầm quan
trọng của các DSP khả trình trong việc thiết kế hệ thống thông tin di động.
Bố cục của đồ án gồm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G.
 Chương 2: Các DSP khả trình trong các máy cầm tay hai chế độ (2G và 3 G).
 Chương 3: Các DSP khả trình trong các modem trạm gốc 3G.
 Chương 4: Sử dụng DSP khả trình trong xử lý dàn anten.
DSP được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của khoa học, công nghệ điện
tử, tin học và đời sống. Ứng dụng của DSP trong hệ thống thông tin di động thì khơng
phải là mới mẻ, nhưng việc tìm hiểu về ứng dụng của các DSP khả trình trong 3G là
vấn đề khá mới ở Việt Nam, địi hỏi phải có kiến thức sâu rộng về hệ thống 3G và xử
lý tín hiệu số. Vì vậy trong khn khổ đồ án chắc chắn khơng tránh khỏi những sai sót
cũng như cịn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thoả đáng. Em rất mong nhận được
sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các bạn.
Trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ tận
tình của thầy giáo TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, sự chỉ bảo ân cần của các thầy cô
giáo trong khoa Viễn thông. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội ngày 20/10/2005
Sinh viên
Nguyễn Trung Hiếu


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G
1.1 Giới thiệu
Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt

đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Cơng nghệ vào
thời điểm đó đã có những thành cơng nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó
vẫn chưa thực sự thích hợp cho thơng tin trên bộ. Các thiết bị cịn khá cồng kềnh và
cơng nghệ vơ tuyến vẫn cịn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố.
Vào năm 1930 đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM,
được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài
đến cả thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một
số thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất
nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại.
Hình 1.1 trình bày tóm tắt lộ trình phát triển các thế hệ thông tin di động từ 1G
đến 3G. Để tiến tới thế hệ ba, thế hệ hai phải trải qua một giai đoạn trung gian, giai
đoạn này được gọi là 2,5G.


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Hình 1.1: Lộ trình phát triển các thế hệ thơng tin di động
Bảng 1.3: Một số nét chính của nền tảng công nghệ thông tin di động từ thế hệ
một đến thế hệ ba.
Thế hệ thông
tin di động

Hệ thống

Dịch vụ chung
Tiếng thoại

Chú thích

Thế hệ 1 (1G)

AMPS,
TACS, NMT

FDMA, tương tự

Thế hệ 2 (2G)

GSM, IS-136, Chủ yếu cho thoại TDMA hoặc CDMA, số, băng
IS-95
kết hợp với dịch vụ hẹp (8-13Kbit/s)
bản tin ngắn

Thế hệ trung
gian (2,5G)

GPRS,
EDGE,
cdma200-1x

Trước hết là tiếng
thoại có đưa thêm
các dịch vụ số liệu
gói

TDMA (kết hợp nhiều khe hoặc
nhiều tần số), CDMA, sử dụng
chồng lên phổ tần của thế hệ
hai nếu khơng sử dụng phổ tần
mới, tăng cường truyền số liệu

gói cho thế hệ hai

Thế hệ 3 (3G)

Cdma2000,
W-CDMA

Các dịch vụ tiếng
và số liệu gói được
thiết kế để truyền
tiếng và số liệu đa
phương tiện là nền
tảng thực sự của
thế hệ ba.

CDMA, CDMA kết hợp
TDMA, băng rộng (tới 2
Mbit/s), sử dụng chồng lấn lên
thế hệ hai hiện có nếu khơng sử
dụng phổ tần mới

1.2 Các mơ hình kiến trúc của các hệ thống thông tin di động
3G
1.2.1 Kiến trúc chung mạng thông tin di động 3G
Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển
mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng.
Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM.
Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng
chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video)
cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói.

Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Hình 1.2 cho thấy ví dụ về một kiến trúc tổng quát của thông tin di động 3G kết hợp cả
CS và PS trong mạng lõi.

Hình 1.2: Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS

1.2.2 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 3
Hình 1.3 cho thấy cấu trúc mạng cơ sở W-CDMA trong 3GPP phát hành 1999
(Tập tiêu chuẩn đầu tiên cho UMTS ).

Hình 1.3: Kiến trúc mạng trong 3GPP phát hành 1999


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Mạng lõi gồm các trung tâm chuyển mạch di dộng MSC và các nút hỗ trợ chuyển
mạch gói phục vụ SGSN. Các kênh thoại và số liệu chuyển mạch gói được kết nối với
các mạng ngoài qua trung tâm chuyển mạch kênh và nút chuyển mạch gói cổng
GMSC và GGSN. Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với mạng ngồi cần có
thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng IWF. Ngoài các trung tâm chuyển mạch
kênh và các nút chuyển mạch gói, mạng lõi cịn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho
các mạng di động như HLR, AUC, EIR.
Mạng truy nhập vô tuyến chứa các phần tử sau:
- RNC: Radio Network Controller, bộ điều khiển mạng vơ tuyến đóng vai trị
như BSC ở các mạng thơng tin di dộng.
- Nút B đóng vai trị như các BTS ở các mạng thông tin di động.
- UE: User Equipment, thiết bị người sử dụng.

UE bao gồm thiết bị di động ME và modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM).
USIM là vi mạch chứa một số thông tin liên quan đến thuê bao cùng với khoá bảo an
(giống SIM ở GSM). Giao diện giữa UE và mạng được gọi là Uu. Trong các quy định
của 3 GPP, trạm gốc được gọi là nút B. Nút B được nối đến một bộ điều khiển mạng
vô tuyến RNC. RNC điều khiển các tài nguyên vô tuyến của các nút B được nối với
nó. RNC đóng vai trị giống như BSC ở GSM. RNC kết hợp với các nút B nối với nó
được gọi là hệ thống con mạng vô tuyến RNS. Giao diện giữa nút B và RNC gọi là
giao diện Iub. Khác với giao diện Abis tương đương ở GSM, giao diện Iub được tiêu
chuẩn hố hồn tồn và để mở, vì thế có thể kết nối nút B của một nhà sản xuất này
với RNC của nhà sản xuất khác.
Khác với ở GSM, các BSC trong mạng W-CDMA không nối với nhau, trong
mạng truy nhập vô tuyến của UMTS (UTRAN) có cả giao diện giữa các RNC. Giao
diện này được gọi là Iur có tác dụng hỗ trợ tính di động giữa các RNC và chuyển giao
giữa các nút B nối đến các RNC khác nhau. Báo hiệu Iur hỗ trợ chuyển giao.
UTRAN được nối đến mạng lõi qua giao diện Iu. Giao diện Iu có hai phần tử
khác nhau: Iu-CS và Iu-PS. Kết nối UTRAN đến phần chuyển mạch kênh được thực
hiện qua giao diện Iu-CS, giao diện này nối RNC đến một MSC/VLR. Kết nối
UTRAN đến phần chuyển mạch gói được thực hiện qua giao diện Iu-PS, giao diện nay
nối RNC đến một SGSN.
Từ hình 1.3 ta thấy rằng tất cả các giao diện ở UTRAN của 3GPPP phát hành
1999 đều được xây dựng trên cơ sở ATM. ATM được chọn vì nó có khả năng hỗ trợ
nhiều loại dịch vụ khác nhau (như tốc độ bít khả biến cho các dịch vụ trên cơ sở gói và
tốc độ bít khơng đổi cho các dịch vụ chuyển mạch kênh). Mặt khác mạng lõi sử dụng
cùng một kiến trúc cơ sở như kiến trúc của GSM/GPRS, nhờ vậy công nghệ mạng lõi


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

có thể hỗ trợ cơng nghệ truy nhập vơ tuyến mới. Chẳng hạn nâng cấp mạng lõi hiện có
để hỗ trợ UTRAN sao cho một MSC có thể nối đến cả UTRAN RNC và GSM BSC.

Trong thực tế các tiêu chuẩn UMTS cho phép hỗ trợ chuyển giao cứng từ UMTS
đến GSM và ngược lại. Đây là một yêu cầu rất quan trọng vì cần có thời gian để triển
khai rộng khắp UMTS nên sẽ có khoảng trống trong vùng phủ của GSM. Nếu UTRAN
và GSM BSS được nối đến các MSC khác nhau, chuyển giao giữa các hệ thống đạt
được bằng cách chuyển giao giữa các MSC. Nếu giả thiết rằng nhiều chức năng của
MSC/VLR giống nhau đối với UMTS và GSM, MSC cần phải có khẳ năng hỗ trợ
đồng thời cả hai kiểu dịch vụ. Tương tự hoàn tồn hợp lý khi giả thiết rằng SGSN phải
có khả năng hỗ trợ đồng thời kết nối Iu-PS đến RNC và Gb đến GPRS BSC.
Trong hầu hết sản phẩm của các nhà sản xuất, nhiều phần tử mạng đang được
nâng cấp để hỗ trợ đồng thời GSM/GPRS và UMTS. Các phần tử mạng này bao gồm
MSC/VLR, HLR, SGSN và GGSN. Đối với nhiều nhà sản xuất, các trạm gốc được
triển khai cho GSM/GPRS đã được thiết kế để có thể nâng cấp chúng hỗ trợ cho cả
GSM và UMTS. Đối với mốt số nhà sản xuất BSC được nâng cấp để hoạt động như cả
GSM BSC và UMTS RNC. Tuy nhiên cấu hình này rất hiếm. Yêu cầu các giao diện và
các chức năng khác nhau (như chuyển giao mềm) của UMTS RNC chứng tỏ rằng cơng
nghệ của nó hồn tồn khác với GSM BSC. Vì thế thơng thường ta thấy các UMTS
RNC và GSM BSC tách biệt.

1.2.3 Kiến trúc mạng thông tin di động 3G phát hành 5
Sau kiến trúc 3GPP phát hành 1999 là 3GPP phát hành 4. Sự khác nhau cơ bản
giữa phát hành 1999 và phát hành 4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố. Thay
cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc
chuyển mạch phân bố được đưa vào. Bước phát triển tiếp theo của UMTS là kiến trúc
mạng đa phương tiện IP phát hành 5 (hình 1.4).


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Hình 1.4: Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP
Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mơ hình cuộc gọi. Ở đây cả

tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của
người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ tồn diện
của tiếng và số liệu.
Từ hình 1.4 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt, chỉ có một
giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối
tại SGSN và khơng có MWG riêng.
Ta cũng thấy một số phần tử mạng mới như:
-

Chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi CSCF

-

Chức năng tài nguyên đa phương tiện MRF

-

Chức năng điều khiển cổng các phương tiện MGCF

-

Cổng báo hiệu truyền tải T-SGW

-

Cổng báo hiệu chyển mạng R-SGW

Một đặc điểm quan trọng của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được
tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ
giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân

của người sử dụng SIP. Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn
trước rất nhiều.
CSCF quản lý việc thiết lập, duy trì và giải phóng các phiên đa phương tiện đến
và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: biên dịch và định tuyến. CSCF
hoạt động như một đại diện Server / hộ tịch viên.


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

SGSN và GGSN là các phiên bản tăng cường của các nút được sử dụng ở GPRS
và UMTS phát hành 1999 và 4. Điểm khác nhau duy nhất là ở chỗ các nút này không
chỉ hỗ trợ dịch vụ số liệu gói mà cả dịch vụ chuyển mạch kênh (tiếng chẳng hạn). Vì
thế cần hỗ trợ các khả năng chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc bên trong SGSN và GGSN
hoặc ít nhất ở các bộ định tuyến kết nối trực tiếp với chúng.
Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF) là chức năng lập cầu hội nghị được
sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức nhiều cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội
nghị.
Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương
tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN, T-SGW hỗ trợ các giao thức
Sigtran.
Cổng báo hiệu chuyển mạch (R-SGW) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với
các mạng di động hiện có sử dụng SS7 tiêu chuẩn. Trong nhiều trường hợp T-SGW và
R-SGW cùng tồn tại trên cùng một nền tảng.
MGW thực hiện tương tác với các mạng ngoài ở mức đường truyền đa phương
tiện. MGW ở kiến trúc mạng của phát hành 3GPP 5 có chức năng giống như ở phát
hành 4. MGW được điều khiển bởi chức năng điều khiển các phương tiện MGCF.
Giao thức điều khiển giữa các thực thể này là ITU-T H.248 .
MGCW cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP.
Cần lưu ý rằng cấu trúc toàn IP phát hành 5 là một tăng cường của mạng phát
hành 1999 hoặc 4. Nó đưa thêm vào một vùng mới trong mạng đó là vùng đa phương

tiện IP (IM: IP Multimedia). Vùng mới này cho phép mang cả số liệu và thoại qua IP
trên toàn tuyến nối đến máy cầm tay. Sử dụng vùng chuyển mạch gói cho mục đích
truyền tải sử dụng SGSN, GGSN, Gn và Gi... là các nút và giao diện thuộc vùng PS.

1.3 Các DSP khả trình trong hệ thống thơng tin di động 3G
Khi hệ thống thông tin di động càng phát triển, nhu cầu về các dịch vụ thoại, số
liệu, đa phương tiện ngày càng tăng. Đòi hỏi hệ thống phải có dung lượng lớn, vùng
phủ rộng, tăng tốc độ tính tốn và khả năng xử lý thơng tin.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng các dụng vụ thông tin di động tăng yêu cẩu hệ thống
thông tin di động, và các thiết bị trong hệ thống không ngừng phát triển và ngày càng
hoàn thiện. Sự phát triển của hệ thống thông tin di động phải tiến hành đồng thời cả
mạng lõi, mạng truy nhập, và các máy cầm tay MS. Để thỏa mãn sự phát triển đó cần
phải có các bộ xử lý dung lượng lớn, tốc độ cao, tăng cường tính mềm dẻo của hệ
thống. Nhờ các DSP (Digital Signal Proccessor) khả trình mà các hệ thống thơng tin di
động ngày càng được hồn thiện về mọi mặt.


Chương 1 - Tổng quan về thông tin di động 3G

Đồ án tập trung nghiên cứu ứng dụng của DSP khả trình trong mạng truy nhập,
từ đó đưa ra một số phương án thiết kế mơ hình ứng dụng DSP khả trình. Nội dung
chính gồm phần: Ứng dụng DSP khả trình trong máy cầm tay hai chế độ (2G và 3G),
trong trạm thu phát gốc 3G, và trong xử lý dàn anten.
Trong đồ án tập trung giới thiệu các DSP họ TMS320Cxx của TI. Trong đó có
các DSP tiêu biểu là: TMS320C54x, TMS320C55x, TMS320C6x (TMS320C64 TM ,
TMS320C6416). Đây là các DSP tiêu biểu được sử dụng phổ biến trong hệ thống 3G,
và trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số.