Kỹ thuật trải phổ trong mạng thông tin di động wcdma

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG
=====  =====

®å án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

kỹ thuật trải phổ trong mạng
thông tin di động wcdma

: ths. nguyễn thị minh
: bùi hoàng lịch
: 49K - ĐTVT
Mó s s

: 0851085156

NGH AN - 01/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Bùi Hoàng Lịch

Số hiệu sinh viên: 0851085156

Ngành:

Điện tử - Viễn thơng

Khố: 49

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Nguyễn Thị Minh

Cán bộ phản biện:

ThS. Tạ Hùng Cường

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
.....................................................................................................................................................................................................
............................................................................................................................. ........................................................................
............................................................................................................................. ........................................................................
....................................................................................................................................................................................... ..............
..................................................................................................................... ................................................................................
............................................................................................................................. ............................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
............................................................................................................................. ........................................................................
.............................................................................................................................................. .......................................................
.....................................................................................................................................................................................................
............................................................................................................................. ........................................................................
............................................................................................................................. ........................................................................

............................................................................................................................. ........................................................................
..................................................................................................................................................................................... ................
................................................................................................................... ..................................................................................
............................................................................................................................. ........................................................................
............................................................................................................................. ....................................................

Ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ................................................................................................................ ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ..................................................................................................... iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................................iv
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................... v
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI
ĐỘNG ..................................................................................................................................... 1
1.1. Lịch sử phát triển thông tin đi động ............................................................................ 1
1.1.1. Hệ thống thông di động thứ nhất ....................................................................... 2
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thứ hai .................................................................... 3
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thứ ba ..................................................................... 5
1.1.4. Hệ thống thông tin di động thứ tư ...................................................................... 7

1.2. Hướng phát triển của WCDMA .................................................................................. 8
CHƢƠNG 2 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ BA WCDMA .................... 10
2.1. Giới thiệu về hệ thống WCDMA .............................................................................. 10
2.2. Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA .................................................. 11
2.3. Cấu trúc hệ thống WCDMA ..................................................................................... 16
2.3.1. Cấu trúc mạng WCDMA ................................................................................. 16
2.3.2. Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN .................................................................. 19
2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS ................................................................................. 22
CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG WCDMA .............................................. 29
3.1. Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số ......................................................... 29
3.2. Khái niệm về trải phổ................................................................................................ 30
3.3. Hệ thống thông tin trải phổ ....................................................................................... 32
3.4. Các phương pháp trải phổ ......................................................................................... 34
3.5. Hệ thống trải phổ dãy trực tiếp DSSS ....................................................................... 35
3.5.1. Hệ thống DSSS – BPSK .................................................................................. 38
3.5.2. Hệ thống DSSS – QPSK .................................................................................. 41
3.6. Áp dụng DSSS cho WCDMA .................................................................................. 44
3.7. Các đặc tính của DS-CDMA .................................................................................. 47
3.7.1. Đa truy nhập ..................................................................................................... 47


3.7.2. Nhiễu đa đường ................................................................................................ 47
3.7.3. Nhiễu băng hẹp ................................................................................................ 47
3.7.4. Xác suất phát hiện thấp .................................................................................... 47
3.8. Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA ................................................................. 48
3.9. Trải phổ và điều chế đường lên ................................................................................ 49
3.10. Trải phổ và điều chế đường xuống ......................................................................... 52
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 59

LỜI NĨI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thơng tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ
thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi
nơi. Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động
số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu
tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu
của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị
truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)… WCDMA là nhánh công nghệ 3G
được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống thông tin di động 2G GSM.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựa chọn
tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000. Giao diện vô tuyến trên cơ sở
CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng u cầu
của hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khá
lớn và đặc biệt sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp đã mở rộng dải tần tới 5MHz đã
phần nào đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng. Vì vậy em đã chọn đề tài: “Kỹ
thuật trải phổ trong mạng thông tin di động WCDMA”. Nội dung đồ án bao
gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động
Chương 2: Công nghệ thông tin di động thứ ba WCDMA
Chương 3: Kỹ thuật trải phổ trong WCDMA
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Nguyễn Thị Minh, và các thầy cơ giáo trong
khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em hồn thành đồ án tốt nghiệp này.
Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2013
Sinh Viên thực hiện
Bùi Hoàng Lịch

i

TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về mạng thông tin di động WCDMA. Hệ
thống thông tin di động này cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như truyền dữ liệu
tốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây. Trong mạng thông tin di
động WCDMA sử dụng trải phổ trực tiếp DSSS. Kỹ thuật trải phổ giúp mạng thông
tin di động 3G có những ưu điểm hơn hẳn so với các thế hệ di động trước là khả
năng đa truy nhập, khả năng chống nhiễu đa đường, nhiễu băng hẹp và tính bảo mật.

ABSTRACT
This thesis was studied an overview of mobile communication network
WCDMA. This mobile communication systems providing multimedia services as
transmission high-speed data, wireless internet access like. The mobile
communication network system WCDMA using spread spectrum direct as DSSS.
Spread spectrum techniques help 3G mobile communication network has advantages
compared to the previous generation of mobile multi-access capabilities, resistance
to multi-path interference, narrowband interference and security.

ii


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1.

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA .......................................................... 12

Hình 2.2.

Cấu trúc hệ thống HSCSD ................................................................................. 14

Hình 2.3.

Cấu trúc mạng GPRS ......................................................................................... 15

Hình 2.4:

Cấu trúc tổng quan hệ thống UMTS .................................................................. 16

Hình 2.5.

Các phần tử của mạng UMTS ............................................................................ 16

Hình 3.1.

Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vô tuyến số ở hệ thống thông tin di động số ...... 29

Hình 3.2.

Mơ hình hệ thống thơng tin trải phổ .................................................................. 33

Hình 3.3.

Phân loại các hệ thống CDMA .......................................................................... 35

Hình 3.4:

Trải phổ dãy trực tiếp DSSS .............................................................................. 36

Hình 3.5:

Sơ đồ khối bộ phát DSSS ................................................................................... 37

Hình 3.6:

Sơ đồ khối bộ thu DSSS..................................................................................... 37

Hình 3.7.

Sơ đồ khối bộ phát sử dụng điều chế BPSK ...................................................... 38

Hình 3.8.

Tín hiệu trải phổ điều chế BPSK ....................................................................... 38

Hình 3.9:

Sơ đồ khối máy thu DS/SS – BPSK .................................................................. 39

Hình 3.10. Tín hiệu trải phổ từ máy thu điều chế BPSK ..................................................... 40
Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ phát DSSS sử dụng điều chế QPSK ........................................... 41
Hình 3.12: Các dạng sóng ở hệ thống DSSS-QPSK ............................................................ 42
Hình 3.13: Sơ đồ khối máy thu cho hệ thống DSSS – QPSK .............................................. 42
Hình 3.14. Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu. ........ 46
Hình 3.15. Cây mã định kênh .............................................................................................. 49
Hình 3.16. Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên ........................................ 50
Hình 3.17. Truyền dẫn kênh điều khiển vật lý riêng đường lên và kênh số liệu vật lý
riêng đường lên khi có/ khơng có (DTX) số liệu của người sử dụng ................ 51
Hình 3.18. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hóa phức,  biểu
diễn cho tỷ số cơng suất giữa DPDCH và DPCCH. .......................................... 51
Hình 3.19. Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH ........................................................ 52

Hình 3.20. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống .................. 53
Hình 3.21. Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp ......................................................... 55
Hình 3.22. Truyền dẫn đa mã cho đường xuống.................................................................. 56

iii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Các thông số giao diện vơ tuyến của WCDMA ................................................... 11
Bảng 3.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao ................................................................................ 455
Bảng 3.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập
8 mã ...................................................................................................................... 45
Bảng 3.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau trong bảng 1 được một mã mới trong tập
8 mã ...................................................................................................................... 45

iv


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

1G

1st Generation

Là hệ thống thông tin di động
thứ nhất

2G

2nd Generation

Là hệ thống thông tin di động
thứ hai

3G

3rd Generation

Là hệ thống thông tin di động
thứ ba

3GPP

Third Generation Partnership

Dự án hội nhập thế hệ 3

Project
GPP2

Third Generation Partnership

Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

Project2
ACCH

Associated Control Chanels

Kênh điều khiển liên kết

AMPS

Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động tiên
tiến

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không
đồng bộ

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Chanel

Kênh quảng bá

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm gốc vô tuyến

CCCH

Common Control Chanel

Kênh điều khiển chung

CDMA

Code Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

v


CM

Communication Management

Quản lý thông tin

CN

Core Network

Mạng lõi

CS

Circuit-Switched

Chuyển mạch kênh

CPCH

Common Packet Channel

Kênh gói chung

CTCH

Common Traffic Channel

Kênh lưu lượng chung

DCH

Dedicated Transport Channel

Kênh truyền tải dùng chung

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dùng chung

DPCCH

Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh dùng chung đường xuống

DS

Direct Sequence

Chuỗi trải phổ trực tiếp

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dùng chung

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM

Cải thiện tốc độ số liệu cho

Evolution

phát triển GSM

EIR

Equipment Identify Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

ETSI

European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn viễn thông

Standard Institute

châu Âu

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia tần số

FDMA

Access
FER

Frame Error Rate

Tỷ lệ lỗi khung

FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

FHSS

Frequency Hopping/Spread

Trải phổ nhảy tần

Spectrum
GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị tồn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn

vi


HSCSD

Communications

cầu

High Speed Switched Data

Kỹ thuật truyền dữ liệu chuyển
mạch kênh tốc độ cao

HTML

Hyper Text Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn
bản

International Mobile

Viễn thông di dộng quốc tế

Telecommunications-2000

2000

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS-95

Interim Standard-95

Tiêu chuẩn thông tin di động

IMT-2000

TDMA của Mỹ
MC-

Phần ứng dụng di động

Multi-Carrier CDMA

WCDMA đa sóng mang

CDMA
ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Service Center

Trung tâm chuyển mạch dịch

vụ di động

NMT

Nordic Mobile Telephone system

Hệ thống điện thoại di động
Bắc Âu

OFDM

Orthorgonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia tần số

Multiplexing

trực giao

NSS

Network and Switching Subsystem Hệ thống chuyển mạch

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển nhắn gọi

PCH

Paging Channel

Kênh nhắn gọi

PCS

Persional Communication System

Hệ thống thông tin cá nhân

PDCH

Packet Data Channel

Kênh số liệu gói

PDP

Packet Data Protocol

Giao thức số liệu gói

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất công
cộng

vii


PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

PSTN

Public Switched Telephone

Mạng điện thoại chuyển mạch

Network

cơng cộng

PS

Packet-switched

Chuyển mạch gói

PCPCH

Physical Common Packet Channel

Kênh gói chung vật lý

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha cầu phương

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS

Radio Network Subsystem

Phân hệ mạng vô tuyến

RRC

Radio Resource control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRS

SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SCH

Synchronisation Channel

Kênh đồng bộ

TACS

total Access Communications

Hệ thống truyền thông truy

System

nhập tổng hợp

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo

TDD

thời gian
TDMA

Time Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống Viễn thơng Di động

Telecommunications System

Tồn cầu

UMTS Terresrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Network

đất UMTS

Visitor Location Register

Bộ ghi định vị tạm trú

UTRAN

VLR

viii

WAP

Wireless Application Protocol

Thủ tục ứng dụng vô tuyến

WCDMA

Wideband Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã

Access

băng rộng

Worldwide Interoperability for

Tương hợp truy nhập vi ba toàn

Microwave Access

cầu

WIMAX

ix


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Lịch sử phát triển thông tin đi động
Trong q trình phát triển của xã hội lồi người, thơng tin liên lạc luôn là một
nhu cầu hết sức cần thiết và đóng một vai trị qua trọng trong đời sống xã hội. Để
đáp ứng nhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều
hình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hơn và chất lượng tốt hơn.
Khi các ngành thông tin quãng bá bằng vơ tuyến phát triển mạnh mẽ thì ý
tường điện thoại vô tuyến cũng ra đời, đây là tiền thân của mạng thông tin di động
sau này. Năm 1946, mạng điện thoại di động đầu tiên được thử nghiệm ở ST louis,
bang Missouri của Mỹ. Và sau đó giới thiệu trên 25 thành phố của Mỹ. Mỗi hệ thống
dùng bộ anten cơng suất lớn đặt cao phủ sóng tồn thành phố (bán kính 50km), kỹ
thuật FM, truyền bán song cơng, ở băng tần 150MHz, độ rộng kênh truyền là
120KHz. Đây chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên số
người phục vụ rất ít.
Năm 1950, độ rộng kênh thu hẹp lại còn 60KHz, dẫn đến số kênh sử dụng
tăng gấp đôi.
Năm 1960, độ rộng kênh chỉ còn 30Khz, hiệu suất phổ tần tăng gấp 4 lần.
Năm 1950 đến 1960, xuất hiện tổng đài tự động, dịch vụ IMTS (song công tự
động quay số, tự động chọn kênh). Tuy nhanh chóng bị bảo hịa bởi nhu cầu của
người sử dụng do chất lượng kém hay bị bận. Dịch vụ ITMS hiện đang còn ở Mỹ
song hiệu suất sử dụng phổ kém so với điện thoại tế bào hiện nay.
Cũng trong thời gian này, lý thuyết mạng tế bào ra đời (AT&T được ra dự án
điện thoại năm 1968). Tuy nhiên công nghệ điện tử lúc đó chưa đáp ứng được.
Năm 1983, ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến AMPS. Đánh dấu sự ra
đời điện thoại tế bào thế hệ thứ nhất. Ủy ban viễn thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân
cho dịch vụ này một dải tần 400MHz trên khoảng tần số 800MHz (ứng với 660 kênh
song công rộng 2 x 30 KHz = 60 KHz). Phổ tần này được phân đều cho 2 nhà cung
cấp để tạo sự cạnh tranh.

1

Năm 1989, trước yêu cầu của tăng trưởng mạnh mẽ của người sử dụng FCC
phân thêm cho dịch vụ 10MHz phổ tần nữa (ứng với 166 kênh song công). Hệ thống
điện thoại tế bào hoạt động trong môi trường hạn chế giao thoa, sử dụng lại tần số,
kỹ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA).
Năm 1991, hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn Í-54 trên cơ sở hạ tầng
AMPS. Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30KHz, kỹ thuật điều chế (‫ח‬/4 DQPSK).
Khi kỹ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6
lần (kết hợp với kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA và tồn tại song song với
AMPS trên cùng một cơ sở hạ tầng). Đây là thời điểm đánh dấu sự ra đời của hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (ở Châu Âu là hệ GSM).
Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ phát triển bởi công
ty QUALCOM theo tiêu chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần
1.25 MHz, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Có nhiều ưu
điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỷ số SNR thấp hơn, về giá thành có tính
canh tranh hơn.
Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng như
được đặt ra từ những năm 90. Từ năm 1995, chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải
tần 180 -> 2100MHz, hứa hẹn sự phát triển mới cho các dịch vụ thông tin cá nhân
(PCS).
1.1.1. Hệ thống thông di động thứ nhất
1G (1st Generation): Là hệ thống thông tin di động thứ nhất với tín hiệu sóng
analog, sử dụng cơng nghệ FDMA, được giới thiệu trên thị trường vào thập niên 80.
Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được
sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số cơng nghệ khác như
AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được
sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem - hệ thống giao
tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh.
Khái niệm về cellular bắt đầu từ cuối năm 40 tại phịng thí nghiệm Bell của

AT&T. Nhưng đến đầu những năm 70 AT&T mới đưa ra dự án điện thoại tế bào. Và
cho đến năm 1983, ra đời dịch vụ AMPS do AT&T và MOTOLAR của Mỹ. Đánh
dấu sự ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất. Với kỹ thuật tương tự,
2


phương pháp điều tần FM để điều chế tiếng nói trên băng tần 800MHz với độ rông
phổ là 40MHz. Để sử dụng hiệu quả nguồn tần số có giới hạn thì tồn bộ vùng dịch
vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là tế bào (cell). Mỗi tế bào dịch vụ
cung cấp một tần số nhất định và có một anten trung tâm, với cơng suất phát phù hợp
để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác. Khi
các cell ở cách nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại tần số.
Hệ thống thông tin di động thứ nhất chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và
sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự đê mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Ở đây, băng thơng của hệ
thống được chia thành các băng có độ rộng Wch. Giữa các kênh kề nhau có một
khoảng bảo vệ để tránh chồng phổ do sự không ổn định của tần số sóng mang. Khi
một người dùng gửi yêu cầu gửi tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử
dụng và giành riêng cho người dùng đó trong suốt thời gian gọi. Tuy nhiên, ngay khi
cuộc gọi kết thúc kênh được ấn định lại cho người khác sử dụng.
Đặc điểm:
-

Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.

-

Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.

-

BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS –
Advanced Mobile Phone System.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng phương pháp đa truy cập
đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu sử dụng ngày càng cao của
con người về cả dung lượng lẫn tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà người ta đưa ra
hệ thông thông tin di động thứ hai ưu điểm hơn thế hệ thứ nhất về cả dung lượng và
dịch vụ được cung cấp.
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thứ hai
2G : Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác
hồn tồn so với thế hệ đầu tiên. Ra đời vào đầu nhưng năm 1990, chuẩn GSM của
Châu Âu và IS-54 (tồn tại song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS95 cho phương pháp đa truy nhập CDMA. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
dựa trên kỹ thuật phân chia theo mã thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy cập phân
3


chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều chế QPSK,
FSK…
Hệ thống thông tin di động thứ hai theo mã IS-95 được phát triển ở Mỹ. Hệ
thống này sử dụng lại băng tần 824MHz – 849MHz cho tuyến lên và 869MHz –
894MHz cho tuyến xuống, dùng 20 kênh có độ rộng mỗi kênh là 1.25MHz. Hệ
thống thông tin di động GSM ra đời và sử dụng rộng rãi ở Châu Âu, băng tần sử
dụng gồm hai dải tần: 890MHz – 915MHz cho tuyến lên và 935MHz – 960MHz cho
tuyến xuống. Dải tần này được chia nhỏ ra thành các giải con rông 200KHz (gọi là
kênh tần số vô tuyến tuyệt đối ARFCN hay kênh vật lý). Mỗi kênh vật lý chia thành
8 khe thời gian (Time Slot) ứng với 8 kênh dịch vụ. Về lý thuyết số kênh vật lý trên
dải tần 25MHz là 25000/200=125 kênh. Tổng số kênh lưu lượng là 125x8=1000
kênh, nghĩa là phục vụ đồng thời 1000 thuê bao mà chưa sử dụng lại tần số.

Ưu điểm của hệ thống thông tin di động thứ hai:
Hệ thống thông tin di động thứ hai ra đời giải quyết những hạn chế của thế hệ
trước. Do sử dụng kỹ thuật số mà có nhưng ưu điểm sau:
- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn.
- Mã hóa tín hiệu thoại với tốc độ bit càng thấp cho phép nhiều kênh vào dòng
bit tốc độ chuẩn.
- Áp dụng kỹ thuật mã hóa kênh và mã hóa nguồn của kỹ thuật truyền dẫn số.
- Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI và chống nhiễu ACI hiệu quả sẽ
làm tăng dung lượng hệ thống.
- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục nên làm cho việc sử
dụng hiệu quả hơn.
- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo
hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn.
Nhược điểm:
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược điểm sau:
- Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là hạn chế nên các dịch vụ ứng
dụng cũng bị hạn chế (không dáp ứng được các yêu cầu phát triển cho các dịch vụ
thông tin di động đa phương tiện cho tương lai).
4


- Tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai là không thống
nhất. Do Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng
rộng, mặc dù cả hai hệ thống này đều có thể coi như là sự tổ hợp của FDMA và
TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định về cả tần số và các khe
thời gian trong băng tần. Do đó việc chuyển giao tồn cầu chưa được thực hiện.
Vì vậy mà u cầu một hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G) ra đời là một
điều tất yếu.
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thứ ba

Những năm cuối những năm 90 thế hệ thông tin động thứ ba ra đời với kỹ
thuật đa truy nhập CDMA và TDMA cãi tiến. Là công nghệ truyền thông thế hệ thứ
3, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin
nhắn nhanh SMS, hình ảnh,…). Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn
toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Trong các dịch vụ của 3G, cuộc gọi video
thường được mô tả như một dịch vụ trọng tâm của sự phát triển. Ở thế hệ thứ 3 này
các hệ thống thông tin di động có xu hướng hịa nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất
có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống
thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3 gọi
là hệ thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được
đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và
đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những năm 2000. Các hệ thống này đều
sử dụng công nghệ WCDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới
cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông di động thế hệ thứ ba.
Cơng nghệ 3G được chia làm 2 dịng chuẩn:
 UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ
truy cập vơ tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác
dịch vụ di động sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á
(trong đó có Việt Nam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ
chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE.

5


FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001,
được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên. Tuy là dựa trên công nghệ WCDMA, nhưng cơng nghệ này vẫn khơng tương thích với UMTS.
 CDMA 2000
Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của

CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngồi khn khổ GSM tại Mỹ,
Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 - một tổ chức độc lập
với 3GPP. Và đã có nhiều cơng nghệ truyền thơng khác nhau được sử dụng trong
CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV.
CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn
này đã được chấp nhận bởi ITU.
Y u ầu đố

ố

ô

độ

ế

ứ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào
phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiểu khả năng mới nhưng
cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ 2.
Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
- 384 Kbit/s đối với vùng phủ sóng rộng.
- 2 Mbit/s đối với vùng phủ sóng địa phương.
Các tiêu chí để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba:
- Sử đụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
+ Đường lên: 1885-2025 MHz.
+ Đường xuống: 2110-2200 MHz.
-

Là hệ thống thơng tin di động tồn cầu cho các lại hình thơng tin vơ tuyến:

+ Tích hợp các mạng thơng tin hưu tuyến và vô tuyến.
+ Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn.
-

Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong cơng sở, ngồi đường,
trên xe, vệ tinh.

-

Có khả năng truyền tải đa phương tiện.

-

Tăng phương thức truyền tải khơng đối xứng. Do các dịch vụ số liệu mới.

-

Có thể hỗ trợ các dịch vụ như sau:

6


+ Môi trường nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển
mạng toàn cầu.
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đông thời cho thoại, số liệu chuyển
mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
-

Chất liệu thoại tương đương với chất lượng thoại hữu tuyến.

-

Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.

-

Hiệu suất phổ tần cao hơn.

-

Tính bảo mật cao.

So sánh với thế hệ thống di động thứ nhất và thứ hai thì thế hệ di động thứ ba
đa dịch vụ đa phương tiện rộng khắp toàn cầu. Một trong những đặc điểm của nó là
có thể chuyển mạng, hoạt động mọi lúc, mọi nơi đều thực hiện được. Mỗi thuê bao
di động đều được gán cho một mã sô cá nhân, khi tắt máy ở bất kỳ nào, ở bất kỳ
quốc gia nào đều có thể được xác định chính xác vị trí của th bao đó. Hệ thống
thơng tin di động thứ ba này thõa mãn cho người dùng những dịch vụ đa phương tiện
như truyền dữ liệu tốc độ cao, truy cập internet giống như mạng không dây… Do
đặc điểm băng tần rộng nên hệ thông tin di động thứ ba có thể cung cấp các dịch vụ
truyền hình ảnh, âm thanh gọi thoại.
1.1.4. Hệ thống thông tin di động thứ tƣ
4G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải
dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện vật lý lý tưởng tới 1-1.5Gbit/s. Cách đây
khơng lâu thì một nhóm gồm 26 cơng ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens
(Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật),đã ký thõa thuận cùng nhau phát
triển một tiêu chí cao cấp cho điện thoại di động, một thế hệ thứ tư trong kết nơi di

động – đó chính là nền tảng 4G. Cơng nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lại của các
thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại
4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100Mbit/s khi di chuyển và tới 1Gbit/s khi đứng
yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lênh các hình ảnh, video
clips chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là
384Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s. NTT DoCoMo cũng hi vọng
trong vòng 2010 – 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh.
7


Khi di chuyển và tới 1Gbit/s khi đứn yên, cũng như cho phép sử dụng có thể
tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Mạng điện thoại 3G hiện
tại của DoCoMo có tốc độ 384Kbit/s và chuyển dữ liệu lên với tốc độ 129Kbit/s.
NTT DoCoMo cũng hi vọng trong vịng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào
kinh doanh, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải
nghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa
từ chính chiếc điện thoại di động của mình.
Các đặc điểm của 4G:
- Cải tiến về dịch vụ dữ liệu: tốc độ bit, 20 – 100 Mbit/s.
- Phương thức điều chế: OFDM, MC-CDMA
- Xu hướng kết hợp mạng lõi IP + mạng truy nhập di động (3G) và truy nhập
vô tuyến WIMAX &WIFI.
1.2. Hƣớng phát triển của WCDMA
Hệ thống thông tin di động thứ tư là một công nghệ di động mới đang được
phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP. Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004. Mặc dù
3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps),
nhưng 3G HSPA vẫn khơng thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di
động.... Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WIMAX cũng như nhu cầu cung cấp
dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 4G để có thể
đứng vững.

4G hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn
100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps. Giống như WIMAX, 4G dựa
trên nền gói IP do đó sẽ khơng cịn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G
hiện tại. Kiến trúc mạng của 4G sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy
nhiên mạng 4G vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G. Điều này
hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 4G mà không cần thay đổi toàn
bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. 4G sử dụng cơng nghệ đa truy cập OFDMA cho kênh
xuống và SC-FDMA cho kênh lên và nó vẫn dựa trên công nghệ ăng-ten MIMO để
đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn.

8


Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã trình bày một cách tổng quát về sự phát triển của hệ thống thông
tin di động.
Thế hệ thứ nhất (1G) là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương
pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM.
Thế hệ thứ hai (2G) sử dụng kỹ thuật số với công nghẹ đa truy nhập phân chia
theo thời gian TDMA và phân chia theo mã CDMA băng hẹp.
Thế hệ thứ 3 (3G) với tên dọi IMT-2000 khẳng định được tính ưu việt của nó
so với các thế hệ trước cũng như đáp ứng kịp thời các nhu cầu ngày càng tăng của
người sử dụng về tốc độ bit thông tin di động. Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 3 IMT-2000 là 2 hệ thống WCDMA và CDMA2000.
Hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) là một thế hệ mới đang được nghiên
cứu để đưa vào sử dụng. Hệ thống này cải tiến về các dịch vụ dữ liệu, tốc độ lên tới
20-100Mbit/s. Sử dụng phương thức điều chế OFDM và MC-CDMA.

9

CHƢƠNG 2
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ BA WCDMA
2.1. Giới thiệu về hệ thống WCDMA
Cuối năm 1977, hai tổ chức tiêu chuẩn là ETSI của Châu Âu và ARIB của
Nhật Bản đã thỏa thuận cùng liên kết xây dựng một tiêu chuẩn chung đáp ứng các
yêu cầu đặt ra của IMT-2000, đó là tiêu chuẩn WCDMA, WCDMA (Wideband
Code Division Multiple Access), gọi là đa truy cập phân mã băng rộng, là một kỹ
thuật đa truy cập dựng trong mạng 3G (UMTS và FOMA) dựa trên công nghệ
CDMA (đa truy cập theo mã) hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA và có
khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet,
hội thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz 2170 MHz...
W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng
cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong
các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn
nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác
nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình.
W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz.
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thơng tin trên một sóng mang.
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1.
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến.
Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cấp phép trong băng
TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các
môi trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ
với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối
xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả
năng đó, các hệ thống thơng tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dể dàng các dịch
vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngồi ra nó cịn cung cấp các

dịch vụ đa phương tiện khác.
10


Các tham số chính của WCDMA được liệt kê ở bảng sau:
Bảng 2.1. Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA
Băng thông chuẩn

5MHz

Phương thức ghép kênh

Phân chia tần số/phân chia thời gian

Tốc độ chip

3.84 Mcps

Độ dài khung

10ms

Điều khiển trải phổ

QPSK cân bằng (đường xuống)
Dual channel QPSK (đường lên)
Trải phổ phức hợp

Điều chế dữ liệu

QPSK (đường xuống)
BPSK (đường lên)

Điều chế nhất quán

Sử dụng kênh pilot dành riêng hoặc được dồn kênh theo thời
gian (ở đường lên và đường xuống); không sử dụng kênh pilot
chung đường xuống

Đa tốc độ

Trải phổ theo nhiều hệ số và nhiều mã

Hệ số trải phổ

4-256 (đường lên) và 4-512 (đường xuống)

Điều khiển cơng suất

Mạch vịng mở và vịng kín nhanh (1,6Khz)

Trải phổ đường xuống

Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân kênh,
chuỗi Gold 218 để phân biệt ô và phân biệt người sử dụng.

Trải phổ đường lên

Sử dụng các chuỗi trực giao có chiều dài thay đổi để phân biệt,
chuỗi Gold 241 để phân biệt người sử dụng (kênh I và kênh Q

dịch thời gian với nhau)

Chuyển giao

Chuyển giao mềm
Chuyển giao giữa các tần số

2.2. Quá trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA
Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thơng máy tính và hình ảnh, đồng
thời đảm bảo tính kinh tế, các hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước lên thế hệ
3G. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 2.1.

11


GSM

HSCSD

GPRS

EDGE

WCDMA

Hình 2.1. Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
Ký hiệu:
* HSCSD: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao
* GPRS: Dịch vụ vơ tuyến gói chung
* EDGE: Số liệu gói tốc độ cao GSM

* WCDMA: Đa truy nhập phân chia theo bảng mã băng rộng
Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là đảm bảo chất lượng dịch vụ số
tốt liệu tốt hơn. Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit
Switched) và chuyển mạch gói (PS: packet Switched) như sau:
* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo:
* Dịch vụ bản tin ngắn SMS
* Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4 Kbps
* Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4 Kbps
* Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch gói đảm bảo:
* Chứa cả chế độ dịch vụ kênh
* Dịch vụ Email, Internet...
* Sử dụng các chức năng IWF/PDSN như:
- Cổng vào cho mạng số liệu gói
- IWF/PDSN có thể đặt tại MSC hay BSC độc lập
Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức
ứng dụng vơ tuyến (WAP: wireless Application Protoncol)
Giai đoạn tiếp theo để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng cơng nghệ số liệu
chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và
EDGE. Bước trung gian này được gọi là thế hệ 2,5G.
1) Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD
HSCSD là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch
kênh hiện nay 9,6 Kbps (hay cải tiến 14,4 Kbps) của GSM. Để tăng tốc độ số liệu,
người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Có thể kết hợp động từ
12