Nghiên cứu giải pháp xử lý tín hiệu để cải thiện chất lượng truyền số liệu trong mạng tính toán di động thế hệ thứ 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC




NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3








LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3



Nghành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15





LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Quân

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC




NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3








LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI: 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THƯỢNG ĐỨC



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN SỐ
LIỆU TRONG MẠNG TÍNH TOÁN DI ĐỘNG
THẾ HỆ THỨ 3



Nghành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15





LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Quân

HÀ NỘI: 2010
1
LỜI CAM ĐOAN



Tôi xin cam đoan kết quả đạt đƣợc trong luận văn là sản phẩm của riêng cá
nhân tôi, không sao chép của ngƣời khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn,
những điều đƣợc trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là đƣợc tổng hợp từ nhiều
nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích
dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỉ luật
theo quy định cho lời cam đoan của mình.





Hà Nội, 10/2010
Nguyễn Thƣợng Đức

2

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC BẢNG 5
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ
THỨ 3 (3G). 11
1.1 Các đặc điểm của W-CDMA [4] 12
1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA [4] 15
1.3 Cấu trúc mạng W-CDMA 17
1.3.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19
1.3.2 Giao diện vô tuyến [8] 21
1.4 Kết luận chƣơng . 24
CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT
LƢỢNG TRUYỀN DẪN. 25
2.1 Các mô hình truyền tín hiệu. [1] 26
2.2 Tổn hao trong không gian tự do [1] 28
2.3 Truyền lan nhiều đƣờng [9] 29
2.3.1 Mô hình hai tia [6] 30
2.3.2 Mô hình 10 tia [3] 32
2.4 Mô hình thực nghiệm 33
2.4.1 Mô hình Okumura [3] 33
2.4.2 Mô hình Hata [9] 33
2.4.3 Mô hình Hata mở rộng 34
2.4.4 Mô hình tuyến tính từng khúc 34

3
2.4.5 Hệ số suy hao trong nhà 35
2.5 Mô hình tổn hao đƣờng đơn giản [3] 36
2.6 Fadinh che tối 37
2.7 Kết hợp suy hao đƣờng và quá trình che tối 39
2.8 Xác suất gián đoạn theo suy hao đƣờng và che tối. 40
2.9 Kết luận chƣơng 40
CHƢƠNG 3: GIẢM XÁC SUẤT LỖI BẰNG CÁC GIẢI PHÁP PHÂN TẬP
ANTEN. 41
3.1 Giới thiệu 41
3.2 Tạo các đƣờng truyền độc lập 41
3.3 Phân tập thu 43
3.3.1 Mô hình hệ thống 43
3.3.2 Phƣơng pháp phân tập kết hợp lựa chọn (Selection Combining) 45
3.3.3 Phân tập kết hợp ngƣỡng (Threshold Combining) 52
3.3.4 Kết hợp với tỉ lệ cực đại (MRC – Maximal Ratio Combining) 54
3.3.5 Kết hợp cùng độ lợi (Equal-Gain Combining) 60
3.4 Phân tập phát 63
3.4.1 Kênh đã biết tại đầu phát 63
3.4.2 Kênh chƣa biết tại đầu phát – Sơ đồ Alamouti 65
3.4 Kết luận chƣơng 67
KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
PHỤ LỤC 70




4
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2: Cấu trúc UTRAN 20
Hình 2.1: Tổn hao đƣờng, che tối và đa đƣờng (multipath) 26
Hình 2.2: Hình học kết hợp với chuyển dịch Doppler 27
Hình 2.3: Các sóng thành phần phản xạ, nhiễu xạ. 29
Hình 2.4: Mô hình hai tia 30
Hình 2.5: Mô hình 10 tia. 32
Hình 2.6: Mô hình tuyến tính từng khúc cho tổn hao đƣờng 35
Hình 3.1: Kết hợp tuyến tính 44
Hình 3.2: SNR trong phân tập thu sử dụng SC trênh kênh fading Rayleigh 48
Hình 3.3: Xác suất gián đoạn của SC trong kênh fading Rayleigh 50
Hình 3.4:
b
P
sử dụng điều chế BPSK cho SC trong fading Rayleigh 51
Hình 3.5: SNR của SSC. 52
Hình 3.6: SNR trong phân tập thu sử dụng MRC trênh kênh fading Rayleigh 56
Hình 3.7: Xác suất gián đoạn của MRC trong kênh fading Rayleigh 58
Hình 3.8:
b
P
sử dụng điều chế BPSK trong kênh fading Rayleigh với MRC 59
Hình 3.8: SNR trong kênh fading Rayleigh với MRC 61
Hình 3.10: SNR trong phân tập thu sử dụng SC, MRC, EGC. 62

5
DANH MỤC BẢNG


Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA 16
Bảng 2.1: Tổn hao vách ngăn điển hình 36
Bảng 2.2: Hàm mũ tổn hao đƣờng điển hình 37

6

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise
BPSK Binary Phase Shift Keying
CDMA Code Division Multiple Access
CN Core Network
EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution.
EGC Equal-Gain Combining
FDD Frequency Division Duplex
FDMA Frequence Division Multiple Access
FSK Frequency Shift Keying
GSM Global System for Mobile Communication
GPRS General Packet Radio Services
IMT-2000 International Mobile Telecommunication
ISDN Integrated Servive Digital Network
LOS Line Of Sight
MS Mobile Station
MSC Mobile Service Switching Center
MRC Maximal Ratio Combining
NSS Network and Switching Subsystem
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
ODMA Opportunity Driven Multiplex Access
PSTN Public Switched Telephone Network
QPSK quadrature phase shift keying
SC Selection Combining
SSC Swith and Stay Combining
7

RNS Radio Network Subsystem
SDMA Space Division Multiple Access
SNR Signal To Noise Ration
TDMA Time Division Multiple Access
TDD Time Division Duplex
TPC Tranmission Power Control
UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network
UMTS Universal Mobile Telecommunnication System
WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access


















8

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả mọi ngƣời đã giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Hồng Quân, Thầy
đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý
quý báu giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn
đƣợc hoàn thiện.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Truyền dữ
liệu và Mạng máy tính - Trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn chân thành tới gia đình cùng tất cả bạn bẽ đã luôn
động viên, khích lệ tôi trong cuộc sống, lao động và học tập.

Hà Nội, 10 tháng 10 năm 2010
Nguyễn Thƣợng Đức











9
MỞ ĐẦU

Trao đổi thông tin luôn là nhu cầu cấp thiết trong xã hội hiện đại. Các hệ

thống thông tin di động với lợi thế giúp con ngƣời trao đổi thông tin mọi lúc,
mọi nơi đang ngày càng chiếm ƣu thế và khẳng định ƣu điểm nổi trội.
Lộ trình GSM-GPRS-EDGE-3G tỏ ra đặc biệt phù hợp với các mạng thông
tin di động của nhiều nƣớc trên thế giới. Đối với các nhà khai thác mạng di động
GSM thì cái đích đến 3G là hệ thống CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn
IMT-2000. Tại Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cũng đã và
đang đƣợc các nhà khai thác ráo riết triển khai và đƣa vào sử dụng.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với nhiều ƣu điểm vƣợt trội về công
nghệ và dịch vụ. Tuy vậy môi trƣờng fading hạn chế nhiều đến dung lƣợng và
chất lƣợng truyền tin trên đó.
Việc nghiên cứu, tìm ra giải pháp giảm can nhiễu để tăng dung lƣợng, giảm
xác suất lỗi truyền số liệu trên đó là một bài toán hết sức cần thiết.
Để thực hiện giảm can nhiễu trong hệ thống 3G, các nhà nghiên cứu tập
trung vào các hƣớng chính:
 Tìm các giải pháp mã hóa có độ chống nhiễu cao.
 Dùng các loại mã sửa sai phù hợp với đặc tính kênh truyền dẫn.
 Cân bằng chống fading.
 Phân tập cho máy thu – phát.
Trong luận văn này, học viên nghiên cứu giải pháp thu phân tập, tiến hành
tính toán, mô phỏng để từ đó tìm ra số anten phù hợp cho hệ thống phân tập thu
để có hiệu quả tốt nhất.
Luận văn đƣợc chia làm ba chƣơng.
Chƣơng một giới thiệu những nét đặc trƣng về hệ thống thông tin di động
3G.
Chƣơng hai tập trung nghiên cứu các yếu tố làm suy giảm chất lƣợng thu
tín hiệu. Tính toán xác suất lỗi thu trong một số hoàn cảnh truyền dẫn của kênh.
Đây là chƣơng làm nền tảng cho tính toán xác suất lỗi và so sánh chúng trong
10
hoàn cảnh không sử dụng giải pháp phân tập và sử dụng giải pháp phân tập ở
chƣơng ba.

Chƣơng ba tìm hiểu về các giải pháp phân tập sử dụng trong phân tập thu.
Mô phỏng để làm rõ hiệu năng của hệ thống đƣợc cải thiện khi sử dụng các giải
pháp phân tập kết hợp. Đƣa ra đánh giá các giải pháp phân tập đó.




















11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 (3G).

Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ số liệu, IP đã đặt ra các yêu cầu
mới đối với công nghiệp viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ hai mặc
dù sử dụng công nghệ số nhƣng là hệ thống băng hẹp và đƣợc xây dựng trên cơ

chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng đƣợc các dịch vụ mới này. Trong
bối cảnh đó, ITU đã đƣa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin đi động thế
hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000. IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung
cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phƣơng tiện thông tin. Mục đích của
IMT-2000 là đƣa ra nhiều khả năng mới nhƣng đồng thời đảm bảo sự phát triển
liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G). Thông tin di động thế hệ thứ
ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 đƣợc đƣa vào phục vụ từ năm 2001. Các
hệ thống 3G cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bit
thấp và cao, đa phƣơng tiện, video cho ngƣời sử dụng làm việc ở cả vùng công
sở lẫn vùng dân cƣ hay trên các phƣơng tiện vận tải.
Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 nhƣ sau:
 Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz nhƣ sau:
- Đƣờng lên:1885-2025 MHz.
- Đƣờng xuống: 2110-2200 MHz.
 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình vô tuyến.
- Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
- Tƣơng tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông.
 Sử dụng các phƣơng tiện khai thác khác nhau.
- Trong công sở.
- Ngoài đƣờng.
- Trên xe.
- Vệ tinh.
 Có thể hỗ trợ các dịch vụ nhƣ:
12
- Các phƣơng tiện nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ
sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu.
- Đảm bảo chuyển mạch quốc tế.
- Đảm bảo dịch vụ đa phƣơng tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói.
 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

Môi trƣờng hoạt động của IMT-2000 đƣợc chia thành bốn vùng với tốc độ bit
R
b
nhƣ sau:
1. Vùng 1: Trong nhà, ô pico, R
b


2 Mbit/s.
2. Vùng 2: Thành phố, ô micro, R
b


384 kbit/s.
3. Vùng 3: Ngoại ô, ô macro, R
b


144 kbit/s.
4. Vùng 4: Toàn cầu, R
b
= 9,6 kbit/s.
Các công nghệ đƣợc nghiên cứu để đƣa ra các đề xuất cho hệ thống thông
tin di động thứ ba bao gồm:
 W- CDMA ( Wideband CDMA: CDMA băng rộng ).
 W- TDMA ( W TDMA: TDMA băng rộng ).
 TDMA/ CDMA băng rộng.
 OFDMA ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access: Đa truy cập
phân chia theo tần số trực giao).
 ODMA ( Opportunity Driven Multipe Access: Đa truy cập phân chia theo

cơ hội).
W- CDMA nhận đƣợc nhiều sự ủng hộ nhất, trƣớc hết nhờ tính linh hoạt
của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, đặc biệt là các dịch
vụ tốc độ bit thấp và trung bình. Nhƣợc điểm của W- CDMA là hệ thống không
cấp phép trong băng TDD với phát thu liên tục, không tạo điều kiện cho các kỹ
thuật chống nhiễu ở các phƣơng tiện làm việc nhƣ máy điện thoại không dây.
1.1 Các đặc điểm của W-CDMA [4]
W-CDMA có các đặc điểm sau đây.
 Hiệu suất sử dụng tần số cao.
13
Về nguyên tắc, dung lƣợng tiềm năng của hệ thống đƣợc xem nhƣ giống
nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy cập nhƣ TDMA và FDMA đƣợc ứng
dụng. Trong khi CDMA thƣờng đƣợc coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao,
điều này nên đƣợc hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất
sử dụng tần số. Ví dụ, CDMA có thể đạt đƣợc một mức hiệu suất chắc chắn nhờ
kỹ thuật điều chỉnh công suất phát chính xác. Ngƣợc lại TDMA sẽ phải sử dụng
đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt đƣợc cùng mức hiệu
suất nhƣ vậy. Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo
đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống.
 Dễ dàng quản lý tần số
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần
phải quy hoạch tần số. Ngƣợc lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA
cần phải đặc biệt chú ý đến việc quy hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong
thực tế thƣờng dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất quy tắc
và các đặc tính địa hình phức tạp. Cần phải chú ý rằng các quy hoạch tần số
không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số. CDMA không cần có
quy hoạch tần số nhƣ thế.
 Công suất phát của máy di động thấp.
Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-
CDMA có thể giảm tỉ số E

b
/N
0
(tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức chấp nhận đƣợc.
Điều này không những làm tăng dung lƣợng hệ thống mà còn làm giảm công
suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu, đồng nghĩa với việc giảm công
suất phát yêu cầu đối với đầu cuối. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt
động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp hơn so với hệ thống TDMA
hoặc hệ thống tƣơng tự có cùng công suất. Ngoài ra, việc giảm công suất phát
yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lƣợng BS yêu cầu so với các hệ
thống khác.
Một ƣu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát
trong hệ thống W-CDMA là nó có thể làm giảm công suất phát trung bình.
Trong đa số trƣờng hợp thì môi trƣờng truyền dẫn là một yếu tố thuận lợi trong
W-CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn đƣợc yêu
cầu để khắc phục hiện tƣợng fading theo thời gian. Trong W-CDMA, công suất
14
trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ đƣợc phát đi bởi việc điều khiển
công suất và công suất phát chỉ tăng khi xảy ra fading.
 Sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường
xuống.
Trong W-CDMA, rất dễ cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa
đƣờng lên và đƣờng xuống. Ví dụ, trong các hệ thông truy cập khác nhƣ TDMA
sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đƣờng lên và đƣờng xuống của
một thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập
cấu hình không đối xứng cho đƣờng lên và đƣờng xuống vì độ rộng băng tần
sóng mang của đƣờng lên và đƣờng xuống sẽ phải thay đổi. Ngƣợc lại, trong W-
CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể đƣợc thiết lập độc lập giữa đƣờng lên và
đƣờng xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác
nhau giữa đƣờng lên và đƣờng xuống. Điều này cho phép sử dụng hiệu quả các

tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng. Khi
không phát dữ liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng. Do đó, nếu
một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở đƣờng lên và một thuê bao khác chỉ thực
hiện truyền tin ở đƣờng xuống thì tài nguyên vô tuyến đƣợc sử dụng tƣơng
đƣơng tài nguyên cho một cặp đƣờng truyền lên và xuống. Thông thƣờng,
TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các
trƣờng hợp nhƣ vậy.
Các thuộc tính băng rộng của W-CDMA cho hiệu suất cao theo các khía
cạnh sau:
 Nhiều tốc độ dữ liệu
Băng thông rộng cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao. Nó cũng cho phép
cung cấp có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kết hợp các dịch vụ tốc độ thấp và
dịch vụ tốc độ cao. Ví dụ trong TDMA, các tốc độ truyền khác nhau đƣợc cung
cấp bằng cách thay đổi số khe thời gian đƣợc phân chia, nhƣng ở tốc độ thấp
nhƣ tốc độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh
nhƣ mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại.
 Cải thiện các giải pháp chống fading nhiều tia
Công nghệ thu phân tập RAKE ( thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất
lƣợng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu
15
một tia để thu và kết hợp chúng lại. Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp
truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập
đƣờng truyền làm số đƣờng truyền tăng lên, giúp giảm công suất phát và tăng
dung lƣợng.
 Giảm tỉ lệ gián đoạn tín hiệu
Băng thông rộng làm tăng tốc độ bit trong kênh điều khiển và tạo ra khả
năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu. Nhờ đó, các thiết bị đầu cuối có thể
thu các tín hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn. Điều này kéo
dài thời gian chờ của pin ở thiết bị đầu cuối.
1.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA [4]

Phƣơng thức truy nhập
CDMA trải phổ trực tiếp
Phƣơng thức truyền 2 chiều ( song
công)
FDD
Độ rộng băng thông
5MHz
Tốc độ chíp
3,84Mc/s
Khoảng cách sóng mang
200 kHz
Tốc độ số liệu
~ 2Mbit/s
Độ dài khung số liệu
10, 20, 40, 80 ms
Mã hiệu chỉnh lỗi
Mã Turbo, mã xoắn
Phƣơng thức điều chế số liệu
Đƣờng xuống: QPSK, đƣờng lên
BPSK
Phƣơng thức điều chế trải phổ
Đƣờng xuống: QPSK, đƣờng lên
HPSK
Hệ số trải phổ (SF)
4 ~ 512
Phƣơng thức đồng bộ giữa các trạm
gốc
Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ
đồng bộ)
16

Phƣơng pháp mã hóa thoại
ARM ( 1,95 kbit/s – 12,2 kbit/s)
Bảng 1.1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA
Ghi chú: ARM: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: Điều chế pha hai trạng
thái; FDD: Điều chế song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp
(lai); QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái.
Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu
chuẩn viễn thông châu Âu ( ETST) đã chủ trƣơng xây dựng các hệ thống vô
tuyến tập trung trên sóng mang 5MHz và cũng có thể bao gồm các sóng mang
10MHz và 20MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) tập trung hoàn thiện các
đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹ thuật
cho các băng tần khác. Điều này có thể lý giải trong thực tế thì sóng mang có
băng tần 5MHz là đủ để đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu 2 Mb/s mặc dù bằng tần
20MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền dữ liệu ở tốc độ này. Phiên bản hiện tại
về các đặc tính kỹ thuật đƣợc đƣa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và
ETSI chỉ giới hạn độ rộng băng tần 5MHz.
Chế độ không đồng bộ (dị bộ) đƣợc áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng
không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS. Nhờ việc thiết kế này cũng
có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa các BS. Độ dài khung dữ liệu cơ bản là
10ms và cũng có thể có độ dài khác (bảng 1.1) do sử dụng xen kẽ.
Phƣơng thức điều chế tín hiệu đƣợc sử dụng là điều chế pha bốn trạng thái
QPSK cho đƣờng xuống và chiều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đƣờng lên.
Phƣơng thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) đƣợc áp dụng cho điều chế trải phổ
ở đƣờng lên. Quá trình tách sóng dựa trên phƣơng pháp tách sóng nhất quán có
sự trợ giúp của ký hiệu pilot ( kí hiệu dẫn đƣờng ). Đối với đƣờng xuống, các ký
hiệu pilot đƣợc ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều
chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong thiết bị đầu
cuối. Đối với đƣờng lên, các ký hiệu pilot đƣợc trải phổ bởi các mã trải phổ khác
với số dữ liệu và đƣợc ghép vuông pha (I/Q) với dữ liệu. Điều này đảm bảo cho
quá trình truyền dữ liệu đƣợc liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ

thay đổi để giảm thiểu các đỉnh trong sóng truyền. Đây cũng là một cách hiệu
quả để giảm ảnh hƣởng của các trƣờng điện từ và giảm yêu cầu đối với mạch
khuyếch đại trong thiết bị đầu cuối.
17
Sử dụng hệ số trải phổ (SF) biến thiên để thu đƣợc các tốc độ truyền dữ
liệu khác nhau. Đối với đƣờng xuống, sử dụng hệ số trải phổ biến thiên trực giao
(OVSF) đƣợc ứng dụng. Ở đây cũng có thể sử dụng đa mã, mã xoắn để mã hóa
kênh. Đối với dữ liệu yêu cầu tốc độ cao, sẽ sử dụng mã Turbo.
Phƣơng pháp tín hiệu dẫn đƣờng ( pilot ) đƣợc áp dụng hiệu quả vào vòng
điều chỉnh công suất nhanh khép kín trong đƣờng xuống. Ngoài ra các ký hiệu
pilot chung đƣợc sử dụng để điều chế các kênh chung hoặc kênh riêng.
1.3 Cấu trúc mạng W-CDMA
Hệ thống W-CDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức
năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và
mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc
phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của
W-CDMA.
Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị ngƣời sử
dụng (UE) thực hiện giao diện ngƣời sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn
hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới đƣợc thiết kế dựa trên
công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi đƣợc định nghĩa hoàn toàn dựa
trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu
trên cơ sở công nghệ GSM.

18
 UE (User Equipment)
Thiết bị ngƣời sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp ngƣời sử dụng với hệ
thống. UE gồm hai phần :
- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử
dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa
thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lƣu giữ
các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan
đến truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
.
Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển
các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B đƣợc kết nối với nó). RNC còn
là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
 CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thƣờng trú lƣu giữ
PLMN,PSTN
ISDN
Internet
Các
mạng
ngoài
MSC
/VLR

GMSC

GGSN

SGSN
HLR
CN
RNC

Node B


Node B

RNC

Node B


Node B

I
Ub
I
Ur
UTRAN
I
U
USIM
USIM
C
U
UE
U

U

Hình 1.1: Cấu trúc của UMTS
19
thông tin chính về lý lịch dịch vụ của ngƣời sử dụng. Các thông tin này bao
gồm: Thông tin về các dịch vụ đƣợc phép, các vùng không đƣợc chuyển mạng
và các thông tin về dịch vụ bổ sung nhƣ trạng thái chuyển hƣớng cuộc gọi, số
lần chuyển hƣớng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):
Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển
mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch
chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lƣu giữ bản sao về lý lịch ngƣời sử dụng
cũng nhƣ vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS): Có chức năng nhƣ MSC/VLR nhƣng đƣợc sử
dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node): Có chức năng nhƣ GMSC nhƣng
chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các mạng ngoài
- Mạng CS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
- Mạng PS: Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
 Các giao diện vô tuyến
- Giao diện C
U
: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện
này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh.
- Giao diện U
U
: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định
của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS.

- Giao diện I
U
: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các
nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Giao diện I
Ur
: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản
xuất khác nhau.
- Giao diện I
Ub
: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. I
Ub

đƣợc tiêu chuẩn hóa nhƣ là một giao diện mở hoàn toàn.
1.3.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN
UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network
20
Subsystem). Một RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC và các node
B. Các RNC đƣợc kết nối với nhau bằng giao diện Iur và kết nối với node B
bằng giao diện Iub.


Hình 1.2: Cấu trúc UTRAN
1.3.1.1 Đặc trưng của UTRAN
Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN cũng nhƣ
các giao thức. UTRAN có các đặc tính chính sau:
- Hỗ trợ các chức năng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và
các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA.
- Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và
chuyển mạch gói bằng cách sử dụng giao thức vô tuyến duy nhất để kết nối từ

UTRAN đến cả hai vùng của mạng lõi.
- Đảm bảo tính chung nhất với GSM.
- Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
1.3.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của
UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thƣờng là với một MSC và một SGSN)
qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển node B chịu trách nhiệm điều khiển
tải và tránh tắc nghẽn cho các ô của mình. Khi một MS UTRAN sử dụng nhiều
tài nguyên vô tuyến từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng
21
biệt.
- RNC phục vụ (Serving RNC): SRNC đối với một MS là RNC kết cuối cả
đƣờng nối Iu để truyền số liệu ngƣời sử dụng và báo hiệu RANAP (phần ứng
dụng mạng truy nhập vô tuyến) tƣơng ứng từ mạng lõi. SRNC cũng là kết cuối
báo hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến. Nó thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp
kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một node
B nào đó đƣợc sử dụng để MS kết nối với UTRAN.
- RNC trôi (Drif RNC): DRNC là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều
khiển các ô đƣợc MS sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân
tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ
định tuyến số liệu giữa các giao diện I
Ub
và I
Ur
. Một UE có thể không có hoặc có
một hay nhiều DRNC.
1.3.1.3 Node B
Chức năng chính của node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện
vô tuyến nhƣ mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ… Nó cũng thực
hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ điều khiển công suất vòng

trong. Về phần chức năng nó giống nhƣ trạm gốc của GSM.
1.3.2 Giao diện vô tuyến [8]
Cấu trúc UMTS không định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của phần tử
mạng mà chỉ định nghĩa giao diện giữa các phần tử logic. Cấu trúc giao diện
đƣợc xây dựng trên nguyên tắc là các lớp và các phần cao độc lập logic với
nhau, điều này cho phép thay đổi một phần của cấu trúc giao thức trong khi vẫn
giữ nguyên các phần còn lại.