Kỹ thuật trải phổ trong w cdma

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W – CDMA

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN HỮU HÀ
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: ThS. NGUYỄN THỊ MINH

Vinh, 12-2011
5


MỤC LỤC
Lời nói đầu ........................................................................................................ 8
Danh sách hình vẽ ............................................................................................ 10
Các từ viết tắt sử dụng trong luận văn .............................................................. 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .............. 17
1.1. Những đặc thù của thông tin di động .................................................... 17
1.2. Cấu trúc mạng thông tin số ................................................................... 18
1.3. Lịch sử phát triển của thông tin di động ................................................ 20
1.3.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) ............................... 22

1.3.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ................................. 24
1.3.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba(3G) ................................... 26
1.3.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ (4G) ....................................... 28
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 29
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG
TIN DI ĐỘNG ................................................................................................ 31
2.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số, FDMA ......................................... 32
2.1.1. Nguyên lý FDMA .............................................................................. 32
2.1.2. Nhiễu giao thoa kênh lân cận ............................................................. 35
2.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA .................................... 37
2.2.1. Nguyên lý TDMA .............................................................................. 37
2.2.2. Tạo cụm ............................................................................................. 38
2.2.3. Thu cụm.............................................................................................. 40
2.2.4. Đồng bộ .............................................................................................. 40
2.3. Đa truy nhập phân chia theo mã, CDMA ............................................. 41
2.4. Đa truy nhập phân chia theo không gian, SDMA .................................. 42
2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................. 43
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG W-CDMA ......................... 44
6


3.1. Cấu trúc W-CDMA ................................................................................ 44
3.1.1. Giao diện vô tuyến ............................................................................. 46
3.1.2. Giao diện UTRAN – CN, IU .............................................................. 47
3.1.3. Giao diện RNC – RNC, IUr................................................................. 48
3.1.4. Giao diện RNC – Node B, IUb ............................................................ 48
3.2. Các dãy giả ngẫu nhiên PN ................................................................... 49
3.2.1. Giới thiệu chung về chuỗi PN ............................................................ 49
3.2.2. Dãy ghi dịch tuyến tính độ dài cực đại .............................................. 49
3.3. Trải phổ trong W-CDMA ...................................................................... 51

3.3.1. Giới thiệu............................................................................................ 51
3.3.2. Hệ thống thông tin trải phổ ................................................................ 52
3.3.3. Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp(DS/SS) .......................................... 54
3.3.3.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS .. 54
3.3.3.2. Các hệ thống DS/SS – BPSK ..................................................... 55
3.3.3.3. Các hệ thống DS/SS – QPSK ..................................................... 59
3.3.3.4. Áp dụng DS/SS cho CDMA ....................................................... 61
3.3.3.5. Các đặc tính của DS – CDMA .................................................... 64
3.3.3.6. Ưu và nhược điểm của DS – CDMA .......................................... 65
3.3.4. Hệ thống nhảy tần (FH/SS) ............................................................... 66
3.3.4.1.Hệ thống FH/SS nhanh ................................................................ 67
3.3.4.2. Hệ thống FH/SS chậm................................................................. 70
3.3.5. Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS) ..................................................... 71
3.3.6. So sánh các hệ thống SS ................................................................... 72
3.4. Các mã trải phổ sử dụng trong W – CDMA ......................................... 73
3.5. Trải phổ và điều chế đường lên.............................................................. 75
3.5.1. Trải phổ và điều chế các kênh riêng đường lên ................................. 75
3.5.2. Trải phổ và điều chế kênh chung đường lên PRACH ....................... 77
3.6. Trải phổ và điều chế đường xuống ........................................................ 78
3.6.1. Các mã trải phổ đường xuống ............................................................ 79
7


3.6.2. Các mã ngẫu nhiên đường xuống....................................................... 80
3.6.3. Ghép kênh đa mã đường xuống ......................................................... 81
3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................. 83
Kết luận .......................................................................................................... 84
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 85

8

LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại.
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học.. công
nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung
cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người
sử dụng. Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã
phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công
nghệ.. 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),….
W-CDMA 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 W-CDMA được đánh giá là sự lựa
chọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000. Hệ thống W-CDMA là
sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng
công nghệ TDMA như GSM, PDC, IS-136...W-CDMA sử dụng công nghệ
CDMA đang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động trên toàn
thế giới, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công
nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu. 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 phần nào nhu cầu người tiêu dùng.
Vì vậy em đã chọn đề tài: “Công nghệ W-CDMA và kỹ thuật trải phổ trong

9


W-CDMA” nhằm tìm hiểu những kiến thức về cấu trúc của mạng W-CDMA

cũng như các phương pháp đa truy nhập hay kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA.

Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin di động: Chương này trình bày một
cách khái quát về những nét đặc trưng cũng như sự phát triển của các hệ
thống thông tin di động từ 1G cho đến 4G.
Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di động: Giới
thiệu một cách tổng quan về các phương pháp đa truy nhập trong thông tin di
động.
Chương 3: Kỹ thuật trải phổ trong W-CDMA: Trình bày về cấu trúc
mạng W-CDMA và các kỹ thuật trải phổ sử dụng trong nó.
Trong quá trình thực hiện đồ án này em đã học hỏi được nhiều điều bổ
ích. Nó không chỉ tăng thêm vớn kiến thức mà cịn tăng thêm khả năng tư
duy,cách làm việc,hoạt động theo nhóm.Tuy nhiên với vốn hiểu biết cịn non
́u,kinh nghiệm chưa nhiều nên đờ án trình bày không tránh khỏi sai sót.Rất
mong được thầy cô và các bạn góp ý,bổ sung.
Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS. NguyễnThị Minh ,
người đã tận tình hướng dẫn,giúp đỡ em và các bạn thực hiện xong đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Hà

10


DANH SÁCH HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỢNG
Hình 1.1. Cấu trúc mạng thơng tin di động số .............................................. 5
Hình 1.2. Khái niệm về hệ thống FDMA...................................................... 8
Hình 1.3. Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G ................................................... 12

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
Hình 2.1. FDMA và nhiễu giao thoa kênh lân cận ....................................... 16
Hình 2.2. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/FDD............................... 18
Hình 2.3. Phân bố tần số và phương pháp FDMA/TDD .............................. 19
Hình 2.4. Nguyên lý TDMA .......................................................................... 20
Hình 2.5. Các phương pháp đa truy nhập ...................................................... 21
Hình 2.6. Quá trình tạo cụm ở một hệ thống vơ tún TDMA...................... 22
CHƯƠNG 3: KỸ TḤT TRẢI PHỞ TRONG W – CDMA
Hình 3.1. Cấu trúc của UMTS ....................................................................... 27
Hình 3.2. Mô hình tổng quát và các giao diện vô tuyến của UTRAN ........... 29
Hình 3.3. Bộ tạo dãy ghi dịch tuyến tính ....................................................... 33
Hình 3.4. Mô hìn hệ thống thông tin trải phổ ................................................ 35
Hình 3.5. Trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS ...................................................... 37
Hình 3.6 Sơ đồ máy phát DS/SS – BPSK ..................................................... 38
Hình 3.7. Sơ đồ máy thu DS/SS – BPSK ...................................................... 39
Hình 3.8. Sơ đồ máy phát cho hệ thống DS/SS – QPSK ............................... 41
Hình 3.9. Sơ đồ máy thu cho hệ thông DS/SS – QPSK ................................ 42
11


Hình 3.10. Quá trình giải phổ và lọc tín hiệu của người
sử dụng k từ K tín hiệu .................................................................................... 46
Hình 3.11. Biểu đồ tần số cho hệ thống FH điều chế FSK ............................ 49
Hình 3.12. Sơ đồ cho hệ thống FH/SS ............................................................ 50
Hình 3.13. Biểu đồ tần số cho hệ thống FH/SS chậm điều chế FSK .............. 53
Hình 3.14. Hệ thống TH/SS đơn giản ............................................................. 54
Hình 3.15. Cây mã định kênh ......................................................................... 56
Hình 3.16. Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên ................... 57
Hình 3.17. Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng

đường lên khi có/ không có (DTX) số liệu của người sử dụng ..... 58
Hình 3.18. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q
sử dụng ngẫu nhiên hóa phức.......................................................................... 59
Hình 3.19. Trải phổ và điều chế bản tin PRACH ........................................... 60
Hình 3.20. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các
kênh vật lý đường xuống ................................................................................. 61
Hình 3.21.Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp ..................................... 62
Hình 3.22. Truyền dẫn đa mã cho đường xuống............................................. 64

12


CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
A
ACCH

Associated Control Channels

Kênh điều khiển liên kết

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến.

B
BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh quảng bá điều khiển

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá.

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số bít lỗi.

BSC

Base Station Controler

Bộ điều khiển trạm gốc.

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc.

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm gốc vô tuyến.

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân.

C
CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung.

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã.

CR

Chip Rate

Tốc độ chíp.

CS

Circuit Switch

chuyển mạch kênh.
D
Kênh điều khiển dành riêng

DCCH

Dedicated Control Channel

DPCCH

Dedicated Physical Control Chanel kênh điều khiển vật lý riêng
13


DPCH

Dedicated Physical Chanel

Kênh vật lý riêng.

DPDCH

Dedicated Physical Data Chanel

Kênh số liệu vật lý riêng

DTCH

Dedicated Traffic Chanel

Kênh lưu lượng riêng.

DSCH

Downlink Shared Chanel

Kênh dùng chung đường
xuống.

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối số liệu

E
ETSI

European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn viễn

Standards Institute

thông châu âu.
F

FACCH

Fast Associated Control Channel kênh điều khiển liên kết
nhanh

FACH

Forward Access Chanel

Kênh truy nhập đường xuống.

FCCCH

Forward Common Control

Kênh điều khiển chung đường

Chanel

xuống

Frequency Division Duplex

Ghép kênh song công phân

FDD

chia theo tần số.
FDMA

FDCCH

FSK

Frequence Division

Đa truy nhập phân chia

Multiple Access

theo tần số

Forward Dedicated

Kênh điều khiển riêng đường

Control Chanel

xuống

Frequency Shift Keying

Khóa điều chế dịch tần.
G

GSM

Global System for Mobile
14

Communication

Thông tin di động toàn cầu.

GPS

Global Position System

Hệ thống định vị toàn cầu.

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vô tuyến gói chung.

I
Tiêu chuẩn thông tin.

IMT-2000 International Mobile
Telecommunication

động toàn cầu.

International Mobile

Số nhận dạng thuê bao

Subscriber Identity

di động quốc tế.

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet.

ISND

Integrated Servive

IMSI

Mạng số đa dịch vụ.

Digital Network
L
LAC

Link Access Control

Điều khiển truy nhập liên kết

LR

Location Registration

Đăng ký vị trí.
M

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động.

MS

Mobile Station

Trạm di động.

MSC

Mobile Service Switching Center Tổng đài di động
N

Node B

Là nút logic kết cuối giao diện IuB với RNC.

NSS

Network and Switching Subsystem

Hệ thống chuyển mạch.

O
ODMA

Opportunity Driven Multiplex Access Đa truy nhập theo cơ hội.
15


OM

Operation and Management

Khai thác và bảo dưỡng.

P
Kênh điều khiển tìm gọi.

PCCH

Paging Contrlo Chanel

PCPCH

Physical Common Packet Chanel Kênh gói chung vật lý

PCH

Paging Channel

Kênh nhắn tin.

PCS Personal Communication Services

Dich vụ thông tin cá nhân.

PLMN

Mạng di động mặt đát công

Public Land Mobile Network

cộng.
PSTN

Public Switched Telephone Network Mạng chuyển mạch thoại
công cộng.
Q

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế trực giao.

R
RACH

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên.

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô
tuyến.

S
SCH

Synchronization Channel

SDCCH

Stand alone Dedicated

SDMA

Kênh đồng bộ.

Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng.

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
không gian.
16

T
TCH

Traffic Channel

Kênh lưu lượng .

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian.

TDD

Ghép song công phân chia

Time Division Duplex

thời gian.
U
UTRAN

UTMS

Universal Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến

Access Network

mặt đất toàn cầu.

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động

Telecommunnication System

toàn cầu.

V
VLR

Visitor Location Register

Thanh ghi định vị tạm trú.

W
WCDMA

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia

Multiplex Access

theo mã băng rộng

17


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.

Những đặc thù của thông tin di động
Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ

(vì vừa như vậy mới liên lạc vừa di chuyển được, và cho tới ngày nay loài
người chưa phát hiện ra môi trường thông tin đặc biệt nào khác ưu việt hơn
sóng điện từ).
Mỗi một cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập (gọi là
kênh truyền vô tuyến), mỗi kênh giả sử chỉ có dải thông 3KHz (tức là 3.103Hz
ứng với dải thông tiếng nói, trên thực tế phải cần nhiều hơn thế nữa) thì dải tần
số vô tuyến từ 0 – 3 GHz (3.109) chỉ cho phép truyền 3.109 3.103 = 106 tức là
một triệu cuộc liên lạc một lúc. Vậy thì làm thế nào để hàng trục triệu người
có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc đấy là chưa kể dải tần sớ vơ
tún cịn phải dành cho rất nhiều cơng việc khác (như q́c phịng , hàng
khơng, nghiên cứu khoa học….), dải tần số dành cho thông tin di động chỉ là
phần nhỏ.
Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề nhiều người dùng độc lập trên
một dải tần số vô tuyến hạn chế là sử dụng lại tần số miễn hai cuộc liên lạc
phải đủ xa nhau về khoảng cách vật lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng
truyền của hai người trong cuộc, để không gây nhiễu cho nhau. Do vậy một
địa bàn có dịch vụ thông tin di động phải được chia thành các phần nhỏ, gọi là
tế bào, hai cuộc liên lạc ở hai tế bào dù ở xa nhau có thể sử dụng cùng một dải
tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào. Về

lý thuyết, nếu kích cỡ của tế bào là rất nhỏ, công suất thu phát liên lạc được
khống chế trong đó( để không làm “phiền” đến tế bào khác) thì có thể phục vụ
được vô số cuộc gọi di động cùng một lúc mà chỉ cần một dải tần sóng vô
tuyến hạn chế. Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số. Điều
này kéo theo một loạt hệ quả tất yếu khác như:
18


- Chống nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận
- Kỹ thuật chuyển giao
- Quản lý kênh truyền (khi có yêu cầu sử dụng hoặc giải phóng kênh)
- Đăng ký vị trí (mới biết người liên lạc ở tế bào nào để tìm gọi) …
Ngoài ra các yêu cầu khác của người sử dụng như kích thước nhỏ nhẹ
của thiết bị cầm tay đồng thời lại tiết kiệm năng lượng (để phục vụ cuộc liên
lạc được lâu)... Những yêu cầu này ln địi hỏi rất cao về cơng nghệ điện tử
và các kỹ thuật xử lý tín hiệu mà những tiến bộ cách đây 20 năm không thể
đáp ứng nổi. Chính vì vậy phải đợi đến khi những tiến bộ của công nghệ điện
tử vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 thông tin di động mới thâm nhập vào
đời sống xã hội rộng rãi bằng những sản phẩm thương mại hấp dẫn. Sau đó
phát triển với tốc độ nhảy vọt trong thập kỷ tiếp theo khi đưa ra nhiều dịch vụ
đa năng với chất lượng dịch vụ ngày càng cao.
Tóm lại, đặc thù cơ bản của thông tin di động là mâu thuẫn giữa số
lượng người dùng đông đảo và dải tần hạn chế, dẫn đến vùng dịch vụ được
chia thành các tế bào kèm theo tất cả các kỹ thuật hệ thống khi xây dựng hệ
thống tế bào này. Điều này làm cho hệ thống thông tin di động khác rất nhiều
so với hệ thông tin cố định (hữu tuyến hoặc vô tuyến).
1.2.

Cấu trúc mạng thông tin số cellula
Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellula được chia

thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, có dạng một tổ ong hình lục giác. Trong mỗi
cell có một trạm gốc BTS (Base Transceiver Station). BTS liên lạc vô tuyến
với tất cả các máy thuê bao di động MS (Mobile Station) có mặt trong cell.
MS có thể di động giữa các cell và nó được chuyển giao để làm việc với một
BTS liền kề mà nó hiện đang trong vùng phủ sóng mà không làm gián đoạn
cuộc gọi.
Một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gôc 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.
19


H TH NG
CHUY N MẠCH

SS
AUC
ISDN

VLR

EIR
HLR

PSPDN
MSC
CSPDN

OSS

BSS

BSC

PSTN

H TH NG TRẠM G C
BTS

PLMN

Kết nối cuộc gọi
và truyền dẫn tin tức
Truyền dẫn tin tức

MS

Hình 1.1: Cấu trúc mạng thông tin di động số
NSS: Network Switching Subsystem: Hệ thống chuyển mạch.
MSC: Mobile Service Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp
vụ di động.
HLR: Home Location Register: Bộ định vị thường trú.
VLR: Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú.
AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực.
EIR: Equipment Indentification Register: Thanh nghi nhận dạng thiết bị.
BSS: Base Station System: Hệ thống trạm gốc.
BSC: Base Station Controller: Đài điều khiển trạm gốc.
BTS: Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc.
OSS: Operation & Support Station: Hệ thống con khai thác và bảo dưỡng.
NMC: Network Management Centre: Trung tâm quản lý mạng.

PSTN: Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng.
PLMN: Public Land Mobile Network: Di đông mặt đất.
20


ISDN: Integrated Switched Digital Network: Mạng số liên kết đa dịch vụ.
MS: Mobile Station: Trạm di động.
Hệ thống khai thác và bảo dưỡng OSS mặc dù không thuộc thành phần
của mạng thông tin di động nhưng nó liên quan chặt chẽ với mạng đó là trạm
di động MS thuộc người sử dụng.
Trong mỗi BSS có một bộ điều khiển trạm gốc BSC điều khiển một
nhóm BTS về các chức năng như chuyển giao và điều khiển công suất.
Trong mỗi SS, một trung tâm chuyển mạch của PLMN, gọi tắt là tổng
đài di động MSC phục vụ nhiều BSC hình thành cấp quản lý vùng lãnh thổ
gọi là vùng phục vụ MSC bao gồm nhiều vùng định vị.
Do yêu cầu quản lý về nhiều mặt đối với MS của mạng di động Cellula
dẫn đến cơ sở dữ liệu lớn. Bộ ghi định vị thương trú HLR chứa các thông tin
về thuê bao như các dịch vụ mà thuê bao lựa chọn và các thông số nhận thực.
Vị trí hiện thời của MS được cập nhật qua bộ ghi định vị tạm trú VLR cũng
được chuyển đến HLR.
Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông
só nhận thực và các khóa mật mã. Mỗi MSC có một VLR.
Khi MS di động vào một vùng phục vụ MSC mới thì VLR yêu cầu HLR
cung cấp các số liệu về MS này đồng thời VLR cũng thông báo cho HLR biết
MS nói trên đang ở vùng phục vụ nào. VLR có đầy đủ các thông tin để thiết
lập cuộc gọi theo yêu cầu của người sử dụng. Một MSC đặc biệt (gọi là MSC
cổng) được PLMN giao cho chức năng kết nối giữa PLMA với các mạng cố
định.
1.3.

Lịch sử phát triển của thông tin di động.
Năm 1946: Dịch vụ điện thoại di dộng công cộng lần đầu tiên được giới

thiệu ở 25 thành phố của Mỹ. Mỗi hệ thống dùng bộ ăngten công suất lớn đặt
cao phủ sóng toàn thành phố (bán kính 50km), kĩ thuật FM, truyền bán song
công, ở băng tần 150Mhz, độ rộng kênh truyền là120Khz. Đây chưa phải là hệ
thống tế bào, tần số chưa được dùng lặp lại nên số người được phục vụ rất ít.
21


Năm 1950: Đợ rợng kênh thu hẹp lại cịn 60Khz, dẫn đến số kênh sử
dụng tăng gấp đôi.
Năm 1960: Độ rợng kênh chỉ cịn 30Khz, hiêu śt phở tần tang 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 nhiên nhanh chóng bị bão hòa
bởi nhu cầu của người sử dụng do chất lượng kém hay bị bận. Dịc vụ ITMS
hiện vẫn 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 dộng tiên tiến AMPS (Advanced
Mobi Phone System). Đánh dấu sự ra đời điện thoại tế bào thế hệ 1. Ủy ban
viễn thông liên bang Mỹ (FCC) đã phân cho dịch vụ này một dải tần 400MHz
trên khoảng tần số 800 MHz (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.
Năm 1989: Trước yêu cầu tang trưởng mạnh mẽ của người sử dụng FCC
phân thêm cho dịch vụ này 10MHz phổ nữa (ứng với 166 kênh song công).

Hệ thống điện thoại tế bào này hoạt động trong môi trường han chế giao thoa,
sử dụng lại tần số, kĩ thuật đa truy cập theo tần số (FDMA).
Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS-54 trên cơ
sở hạ tầng AMPS. Hỗ trợ 3 người sử dụng trên 1 kênh 30kHz, kĩ thuật điều
chế (π/4 DQPSK). Khi kĩ thuật nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể
tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với kĩ thuật đa truy cập theo thời gian
TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng 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).

22


Cũng trong năm 1991, hệ thống dựa trên kĩ thuật trải phổ phát triển bởi
công ty QUALCOM theo chuẩn IS-95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một
dải tần 1.25MHz, sử dụng kĩ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Có
nhiều ưu điểm hơn AMPS về dung lượng, yêu cầu về tỉ số SNR thấp hơn, về
giá thành có tính cạnh tranh cao.
Vấn đề tích hợp nhiều mạng khác nhau trong một cơ sở hạ tầng cũng
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).
1.3.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Khái niệm về cellular bắt đầu từ cuối những năm 40 tại phòng 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, phương pháp điều tần FM để điều chế tiếng nói trên băng tần
800MHz với độ rộng phổ là 40MHz. Để sử dụng hiệu quả hơn nguồn tần số

có giới hạn thì toàn bộ vùng dịch vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau
gọi là tế bào (cell). Mỗi tế bào được dịch vụ cung cấp một tần số nhất định và
có một anten trung tâm, với công 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.

23


Hình 1.2. Khái niệm về hệ thống FDMA.
(a) Phổ tần của hệ thống FDMA. (b) Mô hình khởi đầu và duy trì cuộc
gọi với 5 người dùng. (c) phân bố kênh
Hệ thống di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử
dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Hình 1.2 mô tả
phương pháp đa truy cập FDMA với 5 người dùng. Hình 1.2(a) là phổ của hệ
thống FDMA. Ở đây, băng thông của hệ thống được chia thành các băng có
độ rộng W CH . 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 gởi yêu
cầu tới BS, BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và giành riêng
cho người dùng đó trong suốt cuộc gọi. Tuy nhiên, ngay khi cuộc gọi kết

24


thúc, kênh được ấn định lại cho người khác. Khi có năm người dùng xác định
và duy trì cuộc gọi như hình 1.2(b), có thể ấn định kênh như trên hình 1.2(c).
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 dộng tiên tiến
(Advanced Mobile phone System - AMPS).
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng
về cả dung lượng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ
thống di dộng thế hệ 2 ưu điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ
được cung cấp.
1.3.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)
Ra đời vào đầu những năm 1990: Chuẩn GSM của Châu Âu và IS-54
(tồn tại song song với AMPS) của Mỹ và ngay sau đó là chuẩn IS-95 cho
phương pháp đa truy nhập CDMA. Hệ thống thông tin di động thế hệ hai dựa
trên kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA và kỹ thuật đa truy
cập phân chia theo mã CDMA, truyền dẫn song công theo tần số TDD, điều
chế QPSK, FSK…
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai theo chuẩn 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 lại được chia nhỏ ra
thành các dải con rộng 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
25


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 thế hệ thứ hai :

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ra đời nhằm giải quyết những
hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất. Do sử dụng kĩ thuật
số mà có những ưu điểm sau:
- Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phở tần
cao hơn.
- Mã hố tín hiệu thoại với tớc đợ bít càng thấp cho phép ghép nhiều
kênh vào dịng bít tớc đợ chuẩn.
- Áp dụng kỹ tḥt mã hố kênh và mã hố ng̀n của kỹ tḥt trùn
dẫn số.
- Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Common Channel
Interference) và chống nhiễu kênh kề ACI (Adjacent Channel Interference)
hiệu quả hơn sẽ làm tăng dung lượng hệ thống .
- Điều khiển động việc cấp phát kênh mộ cách liên tụcnên làm cho
việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
- Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng
tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý băng phương pháp sớ.
- Có nhiều dịch vụ mới nhận thực hơn (kết nối với ISDN).
Nhược điểm :
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai cũng tồn tại một số nhược
điểm như sau:
- Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống là hạn chế nên các dịch vụ
ứng dụngcũng bị hạn chế ( không đáp ứng được các yêu cầu phát triển cho
các dịch vụ thông tin di động đa phương tiện cho tương lai)
- 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 cịn Châu Âu
sử dụng TDMA băng rợng, mặc dù cả hai hệ thớng này đều có thể coi như
26


là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh

được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần. Do đó việc
chuyển giao toàn cầu chưa thực hiện được.
1.3.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)
Ra đời vào những năm cuối của thập niên 90 nhằm đáp ứng nhu cầu
thông tin di động gia tăng.
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai
đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều
khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng
lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng
đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ
3 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 3 gọi là các 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 W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU
chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ
2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép
thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông
tin di động thế hệ 3.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp
của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như:
GSM, IS-136.
CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử
dụng công nghệ CDMA: IS-95.

27


3G

2,5G

2G
cdmaOne

CDMA 2000
Thoại,
số liệu
9.6
kbps

Thoại,
số liệu
14,4
kbpsTDMA
Thoại,
số
liệu
9.6 GSM
kbps

Thoại 2X, Dữ liệu 153 kbps / 3,09 M
GSM 1X

GPRS
Dữ liệu
115 kbps
1999

2000

2001

UMTS
WCDMA
Thoại, dữ
liệu 384
kbps - 2M

EDGE

Dữ liệu
384 kbps
2002 2003 2004

2005

Hình 1.3. Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G
Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 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 nhiều khả năng
mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di
động thế hệ 2.
Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.
- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.
Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thớng thơng tin di động thế hệ ba (3G):
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:


Đường lên



Đường xuống : 2110-2200 MHz.

: 1885-2025 MHz.

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô
tuyến:


Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.



Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.

28


- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài
đường, trên xe, vệ tinh.
- Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
- Tăng phương thức truyền tải không đối xứng. Do các dịch vụ số liệu
mới.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:


Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment)

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 đồng 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.
1.3.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)
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 lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s.
Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone
(Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản), đã ký
thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho ĐTDĐ, một thế hệ
thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G sắp tới đây.
Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai 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 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng
như cho phép người 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 tải là 384
Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 Kbit/s. NTT DoCoMo cũng hy
vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh.

29