Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
  
  
Thế kỉ 21 được coi là thế kỉ của tri thức do đó nhu cầu và trao đổi và xử lý thông
tin ngày càng lớn. Trong những năm đầu của thế kỉ mới chúng ta được chứng kiến
bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin mà điển hình ngày càng có nhiều
công nghệ mới để truyền dữ liệu có hiệu quả. Tại Việt Nam cũng đang có một cuộc
cách mạng chuyển từ thế hệ 2G sang 3G trong lĩnh vực thông tin di động để bắt kịp với
sự phát triển của thế giới.
Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM và
CDMA băng thông hẹp, các công nghệ này trở nên lạc hậu và quá tải trước là trước các
yêu cầu về dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, xem tivi trên điện thoại di động,
truy cập WAP, internet và nhiều dịch vụ giá trị gia tăng khác. Vì vậy sự thay thế của
các công nghệ thế hệ 3G như WCDMA và CDMA-EVDO là điều tất yếu. Thực tế phần
lớn các thuê bao tại Việt Nam đang sử dụng mạng GSM mà WCDMA là bước phát
triển tiếp của GSM nên em chọn đề tài “Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
UMTS W-CDMA” cho nội dung nghiên cứu đồ án của mình nhằm góp thêm hiểu biết
cho những người quan tâm và tìm hiểu công nghệ mới này.
Mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên không thể
tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, phê bình và hướng
dẫn từ thầy cô bạn bè.
Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ và hỗ trợ từ thầy hướng dẫn :Ths.Vương Hoàng Nam. Thầy đã luôn tận tình chỉ
bảo và đưa ra những đánh giá, những lời khuyên thiết thực giúp em có thể hoàn thành
tốt đồ án của mình. Em xin trân trọng cảm ơn thầy.
Em cũng xin cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ của các Thầy cô trong khoa Điện tử
1
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Viễn thông và bạn bè những người đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2008
Sinh viên thực hiện

Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 2

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
TÓM TẮT ĐỒ ÁN


Nội dung chính cùa bản đồ án này nhằm giới thiệu một cách tổng quan về hệ
thống W-CDMA theo tiêu chuẩn của Châu Âu. Trong chương đầu của đồ án là tổng
quan về sự phát triển của hệ thống thông tin chủ yếu giới thiệu những mốc lịch sử
đáng chú ý và những hệ thống điển hình của hệ thống thông tin qua các thời kì.
Chương thứ hai đề cập chủ yếu đến công nghệ CDMA là nền tảng của W-CDMA
gồm có các đặc tính điển hình của CDMA và kĩ thuật trải phổ là phương thức truy
nhập mới quyết định sự ưu việt của hệ thống CDMA so với các hệ thống trước đó.
Trong chương ba hệ thống W-CDMA được giới thiệu như là một công nghệ mới cho
thế hệ 3G tại Việt Nam. Chương bốn là một số đề xuất về việc triển khai W-CDMA
tại Việt Nam mang tính khả thi.
Nội dung của đồ án này gồm 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về mạng thông tin di động.
Chương 2 Kỹ thuật trải phổ và công nghệ CDMA.
Chương 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 WCDMA.
Chương 4 Những kiến nghị triển khai WCDMA tại Việt Nam
MỤC LỤC
MỤC LỤC
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................................... 5

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG .............................................................................................. 5
THÔNG TIN DI ĐỘNG ........................................................................................................... 5
b/TDMA (Time Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo thời gian. ...... 8
c/CDMA (Code Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo mã ................ 8
2.2. Tổng quan công nghệ CDMA ................................................................................ 25
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 4

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động
Lịch sử của ngành liên lạc viễn thông ra đời từ những thí nghiệm đầu tiên của
Hertz về tần số ở thế kỉ 18. Hệ thống vô tuyến đầu tiên xuất hiện năm 1919, khi ấy nó
chỉ phục vụ việc nghiên cứu liên lạc bằng sóng radio và được xây dựng ở hai trạm tại
Boston và Baltimore ứng dụng đầu tiên của liên lạc sóng radio là liên lạc đường biển.
Tới năm 1933 hệ thống thông tin trên đất liền mới đưa và khai thác mà ứng dụng chủ
yếu của nó là thông tin trong cảnh sát và lực lượng cứu hỏa với băng tần 35MHz gồm
10 kênh, khoảng cách mỗi kênh là 40kHz, việc chuyển mạch bằng tay bởi điện thoại
viên. Năm 1946 hệ thống thông tin thương mại đầu tiên ra đời với hoạt động tại băng
tần 150MHz. Năm 1964 hệ thống MJ ra đời sử dụng công nghệ mạch trong hệ thống
làm giảm độ rộng mỗi kênh từ 120kHz xuống còn 30kHz. Các hệ thống điện thoại di
động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp trong khi chi phí sử dụng khá tốn
kém.
Hệ thống thông tin tế bào của Bell đã được nghiên cứu thí nghiệm từ năm 1947
cuối cùng năm 1975 hệ thống này đã được thử nghiệm và được cấp phép tiến hành từ
năm 1977, năm 1978 hệ thống thông tin tế bào đàu tiên được xây dựng với độ rộng
băng tần 20MHz, 870-890MHz cho hướng đi và 825-845MHz cho hướng về, chia
thành nhiều kênh mỗi kênh có độ rộng 30kHz sử dụng công nghệ phân chia theo tần
số FDD do vậy có tất cả 666 kênh. Năm 1981 hệ thống này được đưa và sử dụng tại

châu âu. Hệ thống này được phát triển lên hệ thống AMPS (Advance Mobile Phone
Service) năm 1983 được coi là dịch vụ thoại tiên tiến.
Sau một thập kỉ phát triển, người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự
cũng dần không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như
không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này như:
5
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
• Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp.
• Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xẩy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi
trường pha đinh đa tia.
• Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
• Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng.
• Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.
• Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm
cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác.
Để khắc phục những hạn chế kể trên hệ thống thông tin di động cần phải
chuyển từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật thông tin số cùng với kĩ thuật đa truy nhập
mới. Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa thâm nhập phân chia theo
thời gian (TDMA) được nghiên cứu và tiến hành tại một số nước Tây Âu năm 1981
như Thụy Điển, Nauy, Phần Lan, Đan Mạch sau này xuất hiện nhiều chuẩn cho hệ
thống này và năm 1991 châu âu thống nhất một chuẩn duy nhất cho hệ thống này là
GSM hệ thống thông tin toàn cầu.
GSM có thể nói là bước phát triển tiếp của TDMA, GSM là sự kết hợp của cả
TDD và FDD nên cho dung lượng lớn hơn, GSM cũng bắt đầu cung cấp vài dịch vụ
truyền dữ liệu, kết nối internet.
Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công
nghệ đa thâm nhập phân chia theo mã (CDMA). Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải
phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự. Được thành lập vào năm
1985, Qualcom đã thương mại hóa công nghệ CDMA cho thông tin di động và đã
nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này. Đến nay công nghệ này đã trở

thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên
được gọi là IS - 95 A.
Ngoài các hệ thống thông tin di động mặt đất, các hệ thống thông tin di động
vệ tinh: Global Star và Iridium cũng được đưa vào thương mại trong năm 1998.
Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các khách hàng viễn thông
về cả dịch vụ viễn thông mới các hệ thống thông tin di động đang hướng tới thế hệ
thứ ba, có hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT-2000 đó là: W-CDMA và
cdma2000. W-CDMA được phát triển lên từ GSM thế hệ 2 và cdma2000 được phát
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 6

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
triển lên từ IS-95 thế hệ 2. Ở thế hệ này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà
nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2
Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay các hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ ba được gọi là hệ thống thông tin di động băng
rộng.
1.2.Các phương thức đa truy nhập
Trong mỗi tế bào một BTS liên lạc với nhiều MS. Qua giao diện vô tuyến MS
thiết lập và thực hiện với bất kỳ thuê bao nào khác. Việc phân chia các kênh liên lạc
cho mỗi MS được gọi là kỹ thuật đa truy nhập. Có 5 phương thức đa truy nhập khác
nhau:
1. Đa truy nhập phân chia theo không gian - SDMA
2. Đa truy nhập phân chia theo cực tính – PDMA. Phục vụ các cuộc gọi theo các
sự phân cực khác nhau của sóng vô tuyến
3. Đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA
4. Đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA
5. Đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA
Trong đó có 3 phương pháp được sử dụng chủ yếu là :
a/FDMA (Fre quency Division Multiple Access)-Đa truy nhập phân chia theo
tần số.

Nguyên tắc: Phổ tần số cung cấp cho kênh thông tin được chia thành 2N kênh
tần kế tiếp, giữa chúng có khoảng tần bảo vệ. Mỗi người sử dụng được gán cho một
kênh tần riêng. N kênh kế tiếp dành cho hướng lên, N kênh dành cho hướng xuống.
Đặc điểm:
-Kênh tần số sử dụng trong thời gian liên lạc có thể thay đổi khi MS di chuyển từ
một tế bào sang một tế bào bên cạnh (chuyển vùng).
-Nhiễu giao thoa do các kênh tần số kề nhau.
-BTS có nhiều bộ thu phát riêng cho mỗi MS làm việc trên một kênh tần số riêng.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 7
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Hình 1.1 Phổ tín hiệu FDMA
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống di động AMPS (Advance Mobile
Phone System ).
b/TDMA (Time Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo thời
gian.
Nguyên tắc: Phổ tần cung cấp chia thành các kênh, mỗi kênh tần được chia N
khe thời gian, mỗi kênh ứng với một khe thời gian nhất định trong một chu kỳ khung.
Mỗi kênh (khe thời gian) được ấn định cho người sử dụng khác nhau. Tin tức là tín
hiệu số tổ chức dạng gói, gói có bít địa chỉ đầu cuối, bít đồng bộ…
Đặc điểm:
-Tín hiệu truyền đều là tín hiệu số.
- Liên lạc song công, mỗi hướng ở các dải tần khác nhau.
-Việc đồng bộ, trể rất phức tạp.
Hình 1.2 Phổ tín hiệu TDMA
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống GSM (Global System for Mobile
Communication).
c/CDMA (Code Division Multiple Access)- Đa truy nhập phân chia theo mã
Nguyên tắc: Giao thức CDMA không chia sẻ phổ tần số hay thời gian mà nó
phân chia bằng cách mỗi người sử dụng sẽ được phân biệt với nhau bằng các mã
khác nhau (mã trải phổ). Tín hiệu được trải phổ trên băng tần rộng. Để thu được dữ

liệu ban đầu, thì máy thu phải dùng mã trải phổ chính xác như khi tín hiệu được xử lý
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 8

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
ở bên máy phát. Nếu mã trải phổ ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã trải phổ
tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền đi không thể thu và hiểu được ở máy thu.
Đặc điểm:
-Phổ tần trải rộng gấp nhiều lần phổ tín hiệu ban đầu.
-Sử dụng mã giả ngẫu nhiên.
-Có rất nhiều loại giao thức CDMA khác nhau: DS, FH,…
-Giảm nhiễu Fading đa đường.
-Liên lạc song công, mỗi hướng ở các dải tần khác nhau.
-Việc đồng bộ, trể rất phức tạp.
Hình 1.3 Phổ tín hiệu CDMA
Hệ thống điển hình cho công nghệ CDMA là IS-95.
1.3 Hệ thống thông tin tổ ong Cellular.
Quan niệm Cellular ra đời từ cuối những năm bốn mươi với Bell. Thay cho mô
hình phát quảng bá với công suất lớn và ăng ten cao là những cell có diện tích bé có
máy phát BTS công suất nhỏ. Khi các cell ở cách nhau một khoảng cách đủ xa thì có
thể sử dụng lại tần số.
Vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellular được chia thành nhiều
vùng phục vụ nhỏ, do mỗi trạm thu phát sử dụng ba anten thu phát, mỗi anten lại đặt
cách nhau 120 độ nên vùng phủ sóng có dạng một tổ ong hình lục giác được gọi là
các cell. Trong mỗi cell có một trạm gốc BTS. BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các
máy thuê bao di động MS có mặt trong cell. MS có thể di động giữa các cell và nó
phải được chuyển giao để làm việc với một BTS liền kề mà nó hiện đang trong cùng
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 9
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
phủ sóng mà không làm gián đoạn cuộc gọi. Các Cell kề nhau sử dụng tần số khác
nhau, các Cell ở cách xa hơn một khoảng cách nhất định có thể tái sử dụng cùng một

tần số đó. Hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống điện thoại di động tăng lên nhờ việc
tái sử dụng tần số và do đó dung lượng thuê bao được phục vụ sẽ tăng lên.
Hình 1.4 Hướng phát sóng của một trạm gốc
Hình 1.5 đưa ta một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gốc
(BTS). Vùng phục vụ của một BTS được gọi là cell và nhiều cell được kết hợp lại
thành vùng phục vụ của hệ thống. Kích thước phủ sóng mỗi cell thay đổi tùy theo
vùng. Một hệ thống tế bào bao gồm nhiều tế bào, mỗi tế bào có một trạm gốc vô
tuyến. Các vùng được phủ sóng bởi các trạm có dạng tế bào nên người ta gọi là hệ
thống thông tin theo mô hình tế bào..
Hệ thống tế bào ra đời giúp giảm chi phí hoạt động của các đài phát nhờ giảm
công suất phát, hệ thống làm việc mềm dẻo hơn., đặc biệt nó giải quyết bài toán dung
lượng. Khi số thuê bao tập chung lớn trong một vùng chỉ cần chia nhỏ ô phủ sóng nơi
đó thành các tế bào con bằng cách thêm các trạm thu phát sóng và theo lý thuyết có
thể đáp ứng được vô hạn số thuê bao.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 10

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống thông tin tổ ong.
Mỗi vùng phủ sóng tế bào được đặc trưng bởi một phân hệ trạm gốc BSS, các
trạm BSS này được liên kết với một phân hệ chuyển mạch NSS, các phân hệ chuyển
mạch NSS này lại liên kết với các cổng GATEWAY để kết nối với các mạng khác
khi cần.Sau đây là cấu trúc đặc trưng của hệ thống tổ ong GSM.
Hệ thống điện thoại tế bào gồm:
1. MS : Máy di động gồm bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển.
2. BSS : Hệ thống trạm gốc
- BTS : Đài vô tuyến gốc gồm các bộ thu/phát RF để kết nối MS với MSC,
anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu.
- BSC : Đài điều khiển trạm gốc làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTS
và chịu trách nhiệm chuyển đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 11

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống tổ ong (GSM)
3. SS : Phân hệ chuyển mạch
- HLR : Bộ ghi định vị thường trú chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu một
cách thường xuyên kể từ khi MS bắt đầu nhập mạng.
- VLR : Bộ ghi định vị tạm trú chính là HLR lưu động, nó chỉ làm nhiệm vụ lưu
giữ số liệu tạm thời khi MS lưu động.
- EIR : Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR có chức năng cho phép hoặc không
cho phép MS vào mạng.
- MSC : Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động MSC xử lý các cuộc gọi đi
và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 12

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào tổng đài của mạng
PSTN.MSC bao gồm:
+ Bộ điều khiển
+ Bộ kết nối cuộc gọi
+ Thiết bị ngoại vi
+ Cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước với cuộc gọi đã hoàn thành
4. AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR.
5. OMC : Trung tâm vận hành và bảo dưỡng
6. ISDN : Mạng số liên kết đa dịch vụ
7. PSPDN : Mạng chuyển mạch công cộng theo gói
8. CSPDN : Mạng chuyển mạch số công cộng
9. PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
10.PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
Trong đó:
MS gồm bộ thu/phát RF, anten và bộ điều khiển.
BTS gồm các bộ thu/phát RF để kết nối MS với MSC, anten, bộ điều khiển,

đầu cuối số liệu.
BSC làm nhiệm vụ điều khiển chọn kênh cho BTS và chịu trách nhiệm chuyển
đổi, thích ứng tốc độ của thiết bị TRAU.
MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển
trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả để truy nhập vào tổng
đài của mạng PSTN.
MSC bao gồm:
-Bộ điều khiển
-Bộ kết nối cuộc gọi
-Thiết bị ngoại vi
-Cung cấp chức năng thu nhập số liệu cước với cuộc gọi đã hoàn thành
MS, BTS, MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số
liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát (kênh có thể là RF hoặc cũng
có thể là CDMA hoặc TDMA); cặp kênh này có thể thay đổi khi MS di chuyển qua
lại giữa các tế bào (chuyển vùng).
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 13
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Bộ phận điều khiển của MSC sẽ điều khiển sắp đặt, quản lý hoạt động của toàn
bộ hệ thống.
MSC kết nối để thiết lập cuộc gọi giữa các máy thuê bao di động với nhau các
thuê bao di động và cố định, và trao đổi thông tin báo hiệu đa đường qua đường số
liệu giữa MSC và BS. (Để liên lạc được với thuê bao của mạng điện thoại cố định
cần phải có giao diện giữa MSC và PSTN ).
Việc trao đổi thông tin giữa BTS và MSC có thể thực hiện bằng đường truyền
vô tuyến cố định (mircowave link) hoặc cáp.
HRL chịu trách nhiệm nắm giữ mọi dữ liệu một cách thường xuyên kể từ khi
MS bắt đầu nhập mạng.
VLR chính là HLR lưu động, nó chỉ làm nhiệm vụ lưu giữ số liệu tạm thời khi
MS lưu động.
AUC có chức năng công nhận số liệu lấy từ HLR.

EIR có chức năng cho phép hoặc không cho phép MS vào mạng.
1.4 Sự phát triển của hệ thống thông tin cellular.
Hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên được đưa vào dùng sử dụng
băng tần 150 MHz tại Saint Louis - Mỹ vào năm 1946 với khoảng cách kênh là 60
KHz và số lượng kênh bị hạn chế chỉ đến 3.
Năm 1948, một hệ thống điện thoại di động hoàn toàn tự động đầu tiên ra đời ở
Richmond Indiana.
Năm 1956 hệ thống lần đầu sử dụng băng tần 450 MHz, người sử dụng phải ấn
nút để điện thoại viên kết nối cuộc gọi.
Từ những năm sáu mươi kênh thông tin di động có dải thông tần số 30 kHz với
kỹ thuật FM ở băng tần 450MHz đưa hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp 4 lần so với
cuối thế chiến II.
Năm 1964 hệ thống MJ ra đời, hoạt động trên băng tần 150 MHz có thể tự chọn
kênh liên lạc nhưng vẫn cần điện thoại viên.
Năm 1969 hệ thống MK ra đời, hoạt động trên băng tần 450 MHz và hoàn toàn
tự động.
Từ những năm bảy mươi, hệ thống Cellular kỹ thuật tương tự ra đời, tần số điều
chế là 850MHz, FM. Tương ứng là sản phẩm thương mại AMPS ra đời năm 1983.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 14

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Đến đầu những năm chín mươi một loạt các hệ thống ra đời như TACS, NMTS,
NAMTS,...
Tuy nhiên, do nhu cầu phát triển các hệ thống cũ không đáp ứng được các yêu
cầu ngày càng tăng do đó thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời sử dụng kỹ thuật số
với những ưu điểm vượt trội. Hệ thống thông tin di động Cellular thế hệ thứ hai có 3
tiêu chuẩn chính: GSM, IS-5, JDC.
Năm 1991 hệ thống GSM được công nhận ở Châu Âu và nhiều nước trên thế
giới.
Thế hệ ba bắt đầu từ những năm sau thập kỷ chín mươi là kỹ thuật số với

CDMA và TDMA cải tiến. Chuẩn của thế hệ thứ ba được công nhận năm 1999.
Hình 1.7 Lịch sử phát triển của mạng viễn thông qua các thế hệ.
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 15
NMT
(900)
TACS
GSM (900)
AMPS cdma2000
Mx
WCDMA
SMR
GSM (1800)
GSM (1900)
IS-136
TDMA (800)
IS-95
CDMA (800)
IS-136
(1900)
IS-95
(J-STD-008)
(1900)
GPRS
iDEN (800)
GPRS
EDGE
cdma2000
1x

1G 2G 2.5G 3G
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
VÀ CÔNG NGHỆ CDMA
2.1 Kỹ thuật trải phổ
Phổ tần số vô tuyến là tài nguyên của từng quốc gia, khu vực, được quản lý
theo hướng dẫn của ITU. Trên cơ sở các yêu cầu do ITU đặt ra, cơ quan quản lý viễn
thông sẽ quy hoạch, cấp phát dải tần viễn thông của quốc gia cho các nhà khai thác.
Trước đây vấn đề này được giải quyết theo phương pháp cấp các băng tần khác nhau
cho các dịch vụ khác nhau.Tuy nhiên do băng tần vô tuyến là hữu hạn, trong khi đó
nhu cầu về phổ tần vô tuyến tăng ngày càng nhanh khi ra đời hệ thống thông tin di
động tế bào, các dịch vụ mới đòi hỏi một phương pháp mới để giải quyết hiệu quả
hơn vấn đề trên.
Kỹ thuật trải phổ đã được nghiên cứu và áp dụng trong lĩnh vực quân sự từ
những năm 1930, tuy nhiên gần đây các kỹ thuật này đã được nghiên cứu và áp dụng
thành công trong các hệ thống thông tin di động tế bào nhu nhu cầu cấp bách của việc
giải quyết vấn đề cạn kiệt dung lượng trong GSM.
2.1.1. Khái niệm trải phổ
Một hệ thống được gọi là hệ thống trải phổ nếu có các đặc điểm sau :
1. Băng tần truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng tần thông tin.
2. Băng tần truyền dẫn được xác định bởi mã trải phổ hay mã giả ngẫu nhiên,
độc lập với thông tin được gửu đi. Dãy mã trải phổ mã hoá tín hiệu thông tin.
Điều này làm cho công suất tín hiệu bị trải rộng ra trên một băng tần rất lớn,
dẫn đến mật độ công suất thấp hơn.
Như vậy, bản chất của kỹ thuật trải phổ là sự thực hiện trải phổ tín hiệu ở phía
phát sau đó điều chế và phát đi. Ở phía thu sẽ thực hiện nén phổ trở lại làm cho ảnh
hưởng của nhiễu bị tối thiểu hoá. Từ những yếu tố đưa ra ở trên ta thấy rằng, phổ của
tín hiệu càng trải rộng ở phía phát và co hẹp lại ở phía thu thì càng có lợi về tỷ số tín
hiệu/tạp âm (S/N).
Tỷ số giữa băng tần truyền dẫn Bc và băng tần thông tin Bi được gọi là tăng ích
do xử lý (Gp) của hệ thống trải phổ

Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 16

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Bi
Bc
Gp
=
Máy thu sẽ thực hiện khôi phục thông tin ban đầu bằng việc tương quan giữa
tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ đã được sử dụng ở phía phát. Như vậy,
máy thu chỉ khôi phục được thông tin khi nó biết được dãy mã trải phổ đã được sử
dụng ở phía phát.
2.1.2. Các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ so với truyền dẫn băng hẹp
a. Khả năng đa truy nhập
Nếu tại một thời điểm nào đó có nhiều người cùng có yêu cầu liên lạc trong
cùng một giải băng tần thì máy thu có khả năng phân biệt tín hiệu đối với mỗi người
sử dụng, do mỗi người có một dãy mã duy nhất và các dãy mã này có mức tương
quan chéo đủ nhỏ. Việc tương quan giữa tín hiệu thu được với một dãy mã trải phổ
ứng với một người sử dụng nào đó sẽ chỉ làm cho phổ tín hiệu của người sử dụng co
hẹp lại trong khi các tín hỉệu của người sử dụng khác vẫn bị trải rộng trên băng tần
truyền dẫn. Do đó, trong băng tần thông tin, chỉ có công suất tín hiệu của người sử
dụng đang quan tâm là đủ lớn để có thể cho máy thu nhận được.
a. Hai tín hiệu băng hẹp có cùng dải thông được phát đi tới 2 người sử dụng.
b. Hai tín hiệu được trải phổ từ các tín hiệu băng hẹp.
c. Tín hiệu do cả hai người sử dụng thu cùng tại một điểm.
d. Tại máy thu của người sử dụng thứ nhất chỉ có tín hiệu thứ nhất được nén
trở lại phổ gốc tín hiệu ban đầu
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 17
1
2
1

2
1&2
1
2
a b c d
Hình 2.1. Nguyên lý thông tin trải phổ
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Ta thấy rằng cùng một lúc có thể có hai tín hiệu cùng được truyền đi trong cùng
một băng tần, nhưng tại máy thu chỉ có tín hiệu 1 được nén phổ trở lại và khôi phục
được còn tín hiệu 2 vẫn như là nhiễu.
b. Khả năng chống nhiễu đa đường
Tín hiệu tới máy thu qua nhiều đường khác nhau: trực tiếp, phản xạ. Các tín
hiệu đa đường có biên độ và pha khác nhau làm tăng tín hiệu tổng tại một vài tần số
và giảm tín hiệu tại các tần số khác. Nhờ đặc tính đó trong tín hiệu băng rộng đã tạo
ra một sự phân tập tần số một cách tự nhiên có tác dụng chống pha đinh chọn lọc.
c. Khả năng bảo mật
Tín hiệu được truyền đi trong cùng một băng tần chỉ có thể được nén phổ và
khôi phục lại khi máy thu có mã trải phổ đã sủ dụng cho tín hiệu đó ở máy phát.
d. Khả năng loại trừ nhiễu
Việc tương quan chéo giữa mã trãi phổ và một tín hiệu băng hẹp sẽ làm trải
rộng công suất của tín hiệu băng hẹp. Nhờ vậy, có thể giảm công suất nhiễu trong
băng tần thông tin, tạp âm nền có phổ rộng sẽ bị giảm nhỏ.
Ở máy thu, sau khi nén phổ nhiễu từ các máy di động khác không được nén
phổ cũng tương tự như tạp âm. Nhiễu từ các nguồn phát sóng không trải phổ nếu có
băng tần trùng với băng tần (dải thông) của máy thu sẽ bị trải phổ, mật độ phổ công
suất của nhiễu giảm xuống.
Vậy bản chất làm việc theo nguyên tắc trải phổ ở máy phát, nén phổ ở máy thu
làm cho ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm được tối thiểu hóa. Tại máy thu tín hiệu trải
phổ được nén phổ trong khi nhiễu băng hẹp lại bị trải phổ, làm nó xuất hiện như tạp
âm nền so với tín hiệu mong muốn.

Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 18

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Hình 2.2. Minh họa khả năng chống nhiễu
e. Khả năng chống nhiễu phá
Việc chống nhiễu phá (nhiễu do con người sinh ra) được khắc phục tương tự
như nhiễu tự nhiên. Những tín hiệu không có sự tương quan về dãy mã ngẫu nhiên
đều bị trải rộng ra và trở thành nhiễu nền ở phía thu.
f. Xác xuất phát hiện thấp
Vì mật độ công suất của tín hiệu thấp nên tín hệu trải phổ khó có thể bị phát
hiện.
2.1.3. Cơ sở kỹ thuật trải phổ
Hình 2.3. Mô hình kỹ thuật trải phổ
Tại bộ điều chế, tín hiệu dữ liệu X(t) có tốc độ K(bit/s) được nhân với mã trải
phổ g(t) có tốc độ chip Rp (chip/s). Giả thiết tốc độ băng truyền của X(t) và g(t) là
R(Hz) và Rp(Hz). Nếu tín hiệu dữ liệu có băng hẹp hơn so với mã trải phổ thì tín
hiệu sau khi trải phổ sẽ có độ rộng băng truyền của mã trãi phổ.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 19
Nhiễu NhiễuTin tức Tin tức
Dữ liệu X(t)
Mã trải phổ g(t)
tốc độ chíp Rp
Mã trải phổ g(t)
tốc độ chíp Rp
Tín hiệu trên phổ
băng rộng
Bộ
lọc
Độ rộng
băng R

Tín hiệu
khôi phục
Tốc độ K (bps)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Tại bộ điều chế, tín hiệu được nhân với dãy mã trãi phổ là bản sao đồng bộ với
mã trãi phổ ở phía phát. Giả sử việc nhân là lý tưởng, nghĩa là tín hiệu mong muốn sẽ
được nén phổ và tất cả các tín hiệu không mong muốn (nhiễu) sẽ được trãi rộng ra.
Do đó mật độ phổ công suất của tín hiệu sau khi nén được tăng lên còn các thành
phần không mong muốn bị giảm đi, rõ ràng tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) ở đầu ra của
máy thu được cải thiện.
2.1.4. Các hệ thống thông tin trải phổ
 Trải phổ dãy trực tiếp : tín hiệu mang thông tin được nhân trực tiếp mã trải
phổ tốc độ cao.
 Trải phổ nhảy tần : Mã trải phổ điều khiển bộ tạo dao động sóng mang làm tần
số sóng mang thay đổi, sau đó sóng mang này lại được điều chế với dữ liệu.
 Trải phổ dịch thời gian : Trong kỹ thuật này, dữ liệu có tốc độ dòng bit không
đổi R được phân phối khoảng thời gian truyền dẫn dài hơn thời gian cần thiết
để truyền đi dòng tin này bằng cách truyền dẫn thông thường. Dòng bit số
được gửi đi theo sự điều khiển của mã nhảy thời gian. Vì vậy có thể nói dòng
bít đã bị trải ra theo thời gian và phía thu bất hợp pháp không thể biết tập con
dữ liệu nào đang được sử dụng.
 Hệ thống lai : Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ
thống DS và FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính
tiện lợi của mỗi hệ thống. Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ
thống tổng hợp bao gồm (1) FH/DS, (2) TH/FH và (3) TH/DS. Các hệ thống
tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một
hệ thống không thể có được. Một mạch không cần phức tạp lắm có thể bao
gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước.
2.1.4.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS)
Trong giao thức DS-CDMA, tín hiệu dữ liệu được nhân trực tiếp với mã trải

phổ, sau đó, tín hiệu thu được điều chế sóng mang băng rộng.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 20

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Hình 2.4.Sơ đồ máy phát/thu DS-SS.
Bộ điều chế băng rộng thường là bộ điều chế PSK.
Hình 2.5. Tín hiệu trải phổ SS điều chế BPSK
Trong đó, điều chế băng rộng sử dụng là BPSK và tốc độ chip gấp 10 lần tốc
độ thông tin.
Máy thu thực hiện giải điều chế sóng mang đối với tín hiệu thu từ anten, sau đó
sử dụng giải điều chế nhất quán để nén tín hiệu trải phổ, sử dụng dãy mã nội bộ,
được đồng bộ với dãy mã của tín hiệu thu được. Điều này được thực hiện bởi khối
bám và đồng bộ mã.
Trong hệ thống này, tín hiệu nhị phân được nhân với chuỗi nhị phân giả ngẫu
nhiên có tốc độ bit lớn hơn rất nhiều.
Ưu điểm của DS-CDMA:
-Việc mã hoá dữ liệu đơn giản có thể thực hiện bằng một bộ nhân.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 21
Điều chế
băng rộng
Bộ tạo
mã
Tạo sóng
mang
Dữ liệu
nhị phân
Đồng
bộ mã
Giải điều
chế

Tạo sóng
mang
Giải mã
điều chế
Bộ tạo mã
Dữ
liệu
Dữ
liệu
Tín
hiệu mã
Dữ liệu
x Mã
Tín hiệu
điều chế
BPSK
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
-Bộ tạo sóng mang là đơn giản do chỉ có một sóng mang được phát đi.
-Có thể thực hiện việc giải điều chế nhất quán tín hiệu trải phổ.
Nhược điểm của DS-CDMA:
-Khó đồng bộ giữa tín hiệu mã nội bộ và tín hiệu thu.
-Do nhược điểm trên kết hợp với đặc điểm các băng tần liên tục lớn không sẵn có
nên băng tần trải phổ bị hạn chế là 10-20 MHz.
-Người sử dụng ở gần BS sẽ phát mức công suất lớn hơn nhiều so với những
người sử dụng ở xa. Vì một thuê bao sẽ truyền dẫn trên toàn bộ băng tần một cách
liên tục nên người sử dụng ở gần BS sẽ gây nhiễu lớn cho những người sử dụng ở
xa BS. Hiệu ứng gần-xa này có thể được khắc phục bằng cách áp dụng thuật toán
điều khiển công suất trong đó mức độ công suất trung bình mà BS nhận từ mỗi BS
là giống nhau.
2.1.4.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH/SS)

Trong giao thức này, tần số sóng mang (được điều chế bởi tín hiệu thông tin)
thay đổi theo chu kỳ. Cứ sau khoảng thời gian T tần số sóng mang lại nhảy tới một
giá trị khác. Quy luật nhảy tần do mã trải phổ quyết định.
Hình 2.6. Sự chiếm dụng thời gian/tần số của các hệ thống FH&DS.
Việc chiếm dụng tần số trong 2 hệ thống DS-SS và FH-SS khác nhau. Hệ thống
DS chiếm dụng toàn bộ băng tần tại một khoảng nhỏ của thời gian truyền dẫn. Như
vậy công suất mà 2 hệ thống truyền đi trong một băng tần tính trung bình là như
nhau.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 22

FH DS
f
t
f
t
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
Dữ liệu được điều chế băng gốc bởi một sóng mang. Tần số sóng mang được
biến đổi lên tần số truyền dẫn nhờ bộ tổng hợp tần số, được điều khiển bởi mã trải
phổ.
Tại phía thu, tín hiệu nhận được được đổi tần xuống tần số sóng mang băng
gốc nhờ bộ tổng hợp tần số điều khiển bởi mã trải phổ, tạo ra bởi bộ phát mã nội bộ
máy. Sau khi giải điều chế sóng mang băng gốc thu được dữ liệu ban đầu. Bộ bám
đồng bộ đảm bảo rằng việc nhảy tần của sóng mang nội đồng bộ với sóng nhận được.
Có hai loại nhảy tần được phân biệt dựa vào tốc độ nhảy tần của sóng mang là
nhảy tần nhanh F-FH và nhảy tần chậm S-FH.
Với F-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu.
Do đó, nhiều tần số được truyền đi trong thời gian một bit.
Với S-FH, tốc độ nhảy tần của sóng mang nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu.
Do đó, nhiều bit được truyền đi ở một tần số.
Hình 2.7.Sơ đồ khối máy phát và thu FH-CDMA.

Ưu điểm của FH-CDMA
-Đồng bộ của FH-CDMA dễ dàng hơn nhiều so với DS-CDMA. Với FH-
CDMA việc đồng bộ được thực hiện trong từng khoảng thời gian bước nhảy tần.
Vì việc trải phổ dành được không phải do sử dụng tần số nhảy tần cao mà do sử
dụng một tổ hợp rất lớn các tần số nên thời gian bước nhảy tấn số lớn hơn nhiều
so với thời gian chip của hệ thống DS-CDMA. Do đó, FH-CDMA cho phép một
tỷ lệ lỗi đồng bộ lớn hơn.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 23
Bộ biến
đổi lên
Điều chế
băng gốc
Tổng hợp
tần số
Bộ phát
mã
Bộ biến
đổi xuống
Tổng hợp
tần số
Giải điều
chế dữ liệu
Bộ phát
mã
Dữ
liệu
Dữ
liệu
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
-Các băng tần khác nhau của tín hiệu FH không phải là những băng tần lân cận

nhau. Kết hợp với ưu điểm dễ đồng bộ nên FH-CDMA cho phép làm việc với các
băng tần trải phổ lớn hơn nhiều so với DS-CDMA.
-Do hệ thống cho phép sử dụng một băng tần lớn hơn nên nó có khả năng loại
trừ nhiễu băng hẹp tốt hơn so với hệ thống DS.
Nhược điểm của FH-CDMA
-Hệ thống yêu cầu bộ tổng hợp tần số phức tạp.
-Việc giải điều chế nhất quán khó thực hiện.
2.1.4.3 Hệ thống trải phổ nhảy thời gian (TH/SS)
Nhảy thời gian tương tự như điều chế xung. Nghĩa là, dãy mã đóng/mở bộ phát,
thời gian đóng/mở bộ phát được chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo
mã và đạt được 50% yếu tố tác động truyền dẫn trung bình. Sự khác nhau nhỏ so với
hệ thống FH/SS đơn giản là trong khi tần số truyền dẫn biến đổi theo mỗi thời gian
chip mã trong hệ thống FH/SS thì sự nhảy tần số chỉ xảy ra trong trạng thái dịch
chuyển dãy mã trong hệ thống TH/SS. Hình 2.11 là sơ đồ khối của hệ thống TH/SS.
Ta thấy rằng bộ điều chế rất đơn giản và bất kỳ một dạng sóng cho phép điều chế
xung theo mã đều có thể được sử dụng đối với bộ điều chế TH/SS.

Hình 2.8 Hệ thống TH đơn giản
TH/SS có thể làm giảm giao diện giữa các hệ thống trong hệ thống ghép kênh
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 24

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS W-CDMA
theo thời gian và vì mục đích này mà sự chính xác thời gian được yêu cầu trong hệ
thống nhằm tối thiểu hoá độ dư giữa các máy phát. Mã hoá nên được sử dụng một
cách cẩn thận vì sự tương đồng các đặc tính nếu sử dụng cùng một phương pháp
như các hệ thống thông tin mã hoá khác.
2.1.4.4 Hệ thống lai (Hybrid)
Bên cạnh các hệ thống đã miêu tả ở trên, điều chế hybrid của hệ thống DS và
FH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ
thống. Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm (1)

FH/DS, (2) TH/FH, (3) TH/DS.
Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc
tính mà một hệ thống không thể có được. Một mạch không cần phức tạp lắm có thể
bao gồm bởi bộ tạo dãy mã và bộ tổ hợp tần số cho trước.
2.2. Tổng quan công nghệ CDMA
2.2.1. Khái niệm CDMA
CDMA là hệ thống đa truy nhập theo mã dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ,
các thuê bao sử dụng chung tần số và thời gian và được phân biệt nhau bằng một mã
duy nhất gọi là mã trải phổ (hay dãy tạp âm giả ngẫu nhiên PN). Lý thuyết về CDMA
đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ
những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông
tin trong những năm1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS
và Ommi-Mỹ vào năm 1990.
Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này
cũng được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên. Một kênh CDMA rộng
1,23MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27MHz, tổng cộng 1,77MHz. CDMA dùng mã
trải phổ có tốc độ cắt (chip rate) 1,2288MHz. Dòng dữ liệu gốc được mã hoá và điều
chế ở tốc độ cắt. Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra của máy phát PN.
Để nén phổ trở lại dữ liệu gốc thì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác
như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát. Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không
đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được.
Sv :Trần Quang Hào CĐĐT1-K50 25