Công nghệ wcdma và kỹ thuật trải phổ trong wcdma

Tr-ờng đại học vinh
Khoa điện tử - viễn thông

Đồ án tốt nghiệp đại học
Đề tài:

Công nghệ WCDMA và kỹ thuật
trải phổ trong WCDMA

Nguyễn Hoa LSinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thanh Nga
Lớp:
47K - ĐTVT
Ng-ời h-ớng dẫn: PGS.TS.

Vinh, tháng 5/2011

1


MỞ ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông 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 thơng 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 phần nào nhu cầu người
tiêu dùng. Vì vậy em đã chọn đề tài: “Công nghệ WCDMA và kỹ thuật trải
phổ trong WCDMA”. Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:
Chương 1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động
Chương 2. Thông tin di động thế hệ ba WCDMA
Chương 3. Công nghệ trải phổ trong WCDMA
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hoa Lư và các thầy cô
giáo trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em hồn thành đồ án tốt nghiệp này.
Vinh, tháng 05 năm 2011
2


Sinh Viên thực hiện
Nguyễn Thị Thanh Nga

MỤC LỤC
Trang
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ........................................................................................ 4
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 5
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... 6
Chương 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG ............ 11
1.1. Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động ................................................. 12
1.2. Hướng phát triển của WCDMA ............................................................................ 16
Chương 2. CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA ........... 17
2.1. Giới thiệu về WCDMA............................................................................................ 18
2.2. Cấu trúc mạng WCDMA......................................................................................... 24
2.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS ............................................................................. 26

Chương 3. CÔNG NGHỆ TRẢI PHỔ TRONG WCDMA .......................................... 34
3.1. Cấu trúc của một thiết bị thu phát vô tuyến số ................................................. 34
3.2. Khái quát về kỹ thuật trải phổ ............................................................................... 36
3.3. Hệ thống thông tin trải phổ ..................................................................................... 37
3.4. Các phương thức trải phổ ........................................................................................ 40
3.5. Các đặc tính của DS-CDMA.................................................................................. 45
3.6. Ưu và nhược điểm của DS - CDMA ................................................................... 45
3.7. Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA .......................................................... 46
3.8. Trải phổ và điều chế đường lên ............................................................................. 48
3.9. Trải phổ và điều chế đường xuống ....................................................................... 51
KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 58

3


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Lộ trình phát triển hệ thống thơng tin di động ...................................... 10
Hình 2.1. Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ..... 17
Hình 2.2. Sơ đồ mạng WCDMA ........................................................................................ 22
Hình 2.3. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 1999 ......................... 25
Hình 2.4. Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP Release 4................................ 29
Hình 2.5. Kiến trúc mạng đa phương tiện IP của 3GPP Release5.................................. 32
Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị vơ tuyến số .................................................. 34
Hình 3.2. Mơ hình hệ thống thơng tin trải phổ .................................................................. 37
Hình 3.3. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) ......................................................................... 39
Hình 3.4. Quá trình giải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu............ 44
Hình 3.5. Cây mã định kênh................................................................................................. 47
Hình 3.6. Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên .................................... 48

Hình 3.7. Truyền dẫn kênh điều khiển và kênh số liệu vật lý riêng đường lên ................48
Hình 3.8. Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dụng ngẫu nhiên hố phức............... 48
Hình 3.9. Trải phổ và điều chế phần bản tin PRACH ...................................................... 49
Hình 3.10. Sơ đồ trải phổ và điều chế cho tất cả các kênh vật lý đường xuống............ 52
Hình 3.11. Các mã ngẫu nhiên hố sơ cấp và thứ cấp .................................... 54
Hình 3.12. Truyền dẫn đa mã cho đường xuống............................................................... 55

4


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. So sánh thông số kỹ thuật các cơng nghệ 3G…………………….16
Bảng 2.1. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA..................................21
Bảng 3.1. Thí dụ bộ tám mã trực giao..............................................................42
Bảng 3.2. Thí dụ nhân hai mã giống nhau được một mã mới trong tập 8 mã............... 43
Bảng 3.3. Thí dụ nhân hai mã khác nhau được một mã mới trong 8 tập mã............ 43

5


Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

6

1G

Là hệ thống thông tin di

1st Generation

động thứ nhất
2G

Hệ thống thống tin di động

2nd Generation

thế hệ 2
3G

Hệ thống thống tin di động

3rd Generation

thế hệ thứ 3
3GPP

Third Generation Partnership

Dự án hội nhập thế hệ 3

Project

GPP2

Third Generation Partnership

Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ

Project2

hai

Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động

A;
AMPS

tiên tiến
ATM

Asynchronous Transfer Mode

Phương thức truyền không
đồng bộ

AuC

Authentication Center

Trung tâm nhận thực

AMR

Adaptive multi Rate

Kỹ thuật đa tốc độ thích ứng

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

CRC

Cyclic Redundance Check

Mã kiểm tra dư vòng

CDMA

Code Division Multi Access

CN

Core Network

Mạng lõi

CS

Circuit-Switched

Chuyển mạch kênh

CSCF

Call Server Control Function

Chức năng điều khiển phục

B;

C;

7

Đa truy nhập phân chia theo mã

vụ cuộc gọi
D;
DS

Direct Sequence

Chuỗi trải phổ trực tiếp

DPDCH

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý dùng
chung

DPCCH

DSCH

Dedicated Physical Control

Kênh điều khiển vật lý dùng

Channel

chung

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

Enhanced Data Rates for GSM

Cải thiện tốc độ số liệu cho

Evolution

phát triển GSM

Equipment Identify Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia

E;
EDGE

EIR
F;
FDD

theo tần số
FDMA

FH/SS

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia tần

Access

số

Frequency Hopping/Spread

Trải phổ nhảy tần

Spectrum
G;
GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút mạng hỗ trợ GPRS cổng

GMSC

Gateway MSC

MSC cổng

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động

Communications

toàn cầu

High Data Rate

Tốc độ số liệu cao

H;
HDR
I;
8


IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP

IMSI

International Mobile Subcriber

Chỉ thị thuê bao di động

Identity

quốc tế

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

IMT-2000

động TDMA của Mỹ
ITU Telecommunication

Bộ phận tiêu chuẩn hóa về

Standardisation Sector

viễn thông của ITU

ME

Mobile Equipment

Thiết bị di động

MGW

Media Gateway

Cổng media

MRF

Media Resource Function

Chức năng nguồn media

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Switching Service Center

Trung tâm chuyển mạch

ITU-T

M;

dịch vụ di động
N;
NMT

Nordic Mobile Telephone system

Hệ thống điện thoại di động
Bắc Âu

O;
Orthorgonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia tần số

Multiplexing

trực giao

Orthorgonal Variable Spreading

Hệ số trải phổ khả biến trực

Factor

giao

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển nhắn gọi

PRACH

Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

OFDM

OVSF

P;

9


đường xuống

PDCH

Packet Data Channel

Kênh số liệu gói

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất cơng
cộng

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

PSTN

Public Switched Telephone

Mạng điện thoại chuyển

Network

mạch cơng cộng

PS

Packet-switched

Chuyển mạch gói

PCCPCH

Primary Common Control

Kênh vật lý điều khiển

Physical Channel

chung sơ cấp

Physical Downlink Shared

Kênh chia sẻ vật lý đường

Channel

xuống

PDSCH

PCPCH

Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý

Q;

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha cầu
phương

R;
RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô
tuyến

S;
SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút mạng hỗ trợ dịch vụ
GPRS

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SRNC

Serving RNC

RNC phục vụ

SS7

Signaling System 7

Hệ thống báo hiệu số 7

SID

Silence Descritor

Khung mô tả im lặng

SF

Spectrum Factor

Hệ số trải phổ

10

T;
TACS

TDD

Total Access Communications

Hệ thống truyền thông truy

System

nhập tổng hợp

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia
theo thời gian

TDMA

Time Division Multi Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

TRX

Transceiver

Bộ thu phát

TH

Time Hopping

Trải phổ nhảy thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống Viễn thơng Di

Telecommunications System

động Tồn cầu

Universal Subscriber Identity

Modul chỉ thị th bao tồn

Module

cầu

UMTS Terresrial Radio Access

Mạng truy nhập vơ tuyến

Network

mặt đất UMTS

VHE

Virtual Home Environment

Môi trường thường trú ảo

VLR

Visitor Location Register

Bộ ghi định vị tạm trú

U;

USIM

UTRAN

V;

W;
WCDMA

WIMAX

Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo
Access

mã băng rộng

Worldwide Interoperability for

Tương hợp truy nhập vi ba

Microwave Access

toàn cầu

Chương 1
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
11


1.1. Lộ trình phát triển hệ thống thơng tin di động

Next-generation
Wireless LTE

UMTS

GPRS

HSxPA

EDGE

EVDO

GSM

TD-SCDMA

cdma 2000
Analog
1G
1980

1993-1998

10 to 150

1 to 10

100

kbits/s

Mbits/s

Bbits/s

1998-2002

2003-2010+

Hình 1.1. Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động
 1G (1st Generation): Là hệ thống thông tin di động thứ nhất với tín
hiệu sóng analog, 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 công 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.
Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng
thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn với
khách hàng v.v...
 2G: Là thế hệ kết nối thơng tin di động mang tính cải cách cũng như
khác hồn tồn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số và
được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja. Mạng 2G mang tới
cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã
hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là
sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản - SMS. Theo đó, các tin hiệu
12


thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều
dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên
cùng một băng thơng, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ
thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn
và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị

hơn…
Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple
Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử
dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia.
 2,5G: Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G. Mạng
2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở hạ tầng
có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA. Và tiến bộ duy
nhất chính là GPRS - cơng nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu được
dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một vài
giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho
CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (dùng một
tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch
vụ 2.5G bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự.
 3G: 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.
Công nghệ 3G được chia làm 2 dịng chuẩn:
UMTS (W-CDMA)


UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên cơng

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
13

chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM,
GPRS và EDGE.


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 W-CDMA, nhưng công 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 thông 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.
 HSDPA (3.5G)
HSDPA là một phương thức truyền tải dữ liệu theo phương thức mới.
Đây được coi là sản phầm của dịng 3.5G. Cơng nghệ này cho phép dữ liệu
download về máy điện thoại có tốc độ tương đương với tốc độ đường truyền
ADSL.
Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt cơng nghệ và được phát triển

trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA có tốc độ truyền tải dữ liệu lên tối đa gấp 5 lần so với khi sử
dụng công nghệ W-CDMA. HSDPA sử dụng các phương pháp chuyển đổi và
mã hóa dữ liệu khác. Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong W-CDMA
được gọi là HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), hay còn gọi
là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao. Kênh truyền tải này hoạt động hoàn
toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện download
14


với tốc độ vượt trội. Và đây là một kênh chuyên dụng cho việc download.
Điều đó cũng có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồn đến điện
thoại. Song quá trình ngược lại, tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến một
nguồn tin thì khơng thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA. Công
nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các user có sử dụng sóng radio, sóng
cho hiệu quả download nhanh nhất.
Ngồi HS - DSCH, cịn có 3 kênh truyền tải dữ liệu khác cũng được phát
triển, gồm có HS - SCCH (High Speed Shared Control Channel - kênh điều
khiển dùng chung tốc độ cao), HS - DPCCH (High Speed Dedicated Physical
Control Channel - kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao) và HSPDSCH (High Speed Downlink Shared Channel - kênh vật lý chia sẻ đường
xuống tốc độ cao). Kênh HS - SCCH thông báo cho người sử dụng về thông
tin dữ liệu sẽ được gửi vào các cổng HS - DSCH.
Trong năm 2007, một số lượng lớn các nhà cung cấp dịch vụ di động trên
toàn thế giới đã bắt đầu bán các sản phẩm USB Modem có chức năng kết nối
di động băng thơng rộng. Ngồi ra, số lượng các trạm thu phát HSDPA trên
mặt đất cũng tăng nhanh để đáp ứng nhu cầu thu phát dữ liệu. Được giới thiệu
là có “tốc độ lên tới 3.6 Mbit/giây”, song đây chỉ là con số có thể đạt được
trong điều kiện lý tưởng. Do vậy, tốc độ đường truyền sẽ không nhanh như
mong đợi, đặc biệt là trong điều kiện phịng kín.
 Supper 3G (LTE)

Super 3G hay cịn gọi là cơng nghệ LTE (Long Term Evolution) đang
được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, các thơng số kỹ thuật cốt lõi của Super 3G
đã được phê chuẩn. Super 3G với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp và
nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số, là 1 bước tiến dài so với chuẩn HSDPA
(tốc độ tối đa 14Mb/giây) và HSUPA (tốc độ tối đa 5,7Mb/giây) của mạng
W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G. Super 3G được
đánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng
băng thông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ 4, thế hệ 4G. Docomo
15


đã và đang tiếp tục thử nghiệm, cải tiến Super 3G trên mơi trường khơng dây
thực gần phịng thí nghiệm R&D của họ. Cuộc thử nghiệm sử dụng 4 hệ
thống anten MIMO (Multiple-Input Mutiple-Output) cho trạm phát tín hiệu và
trạm tiếp nhận di động với băng thông rộng 20MHz, băng thông tối đa theo
chuẩn công nghệ Super 3G. Họ tiếp tục thử nghiệm khả năng truyền tải kết
nối giữa các trạm, chức năng của các ứng dụng ở môi trường trong nhà lẫn
ngồi trời.
Bảng 1.1. So sánh thơng số kỹ thuật các công nghệ 3G

Spectrum

3G:

3,5G:

3.9G:

W-CDMA

HSPA(HSDPA/HSUPA)

Super 3G

3G(2GHz band plus additional spectrum for 3G)

Bandwidth(s)

5MHz

1.4,3.0,5,10,15&20MHz

Radio access

DS-CDMA

SC-FDMA(uplink)
OFDMA(downlink)

Peak uplink

384Kbps

5,7Mbps

75Mbps

Peak downlink

384Kbps

14Mbps

300Mbps

1.2. Hướng phát triển của WCDMA
3G LTE 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
3G LTE để có thể đứng vững.
16


3G LTE 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, 3G LTE dựa trên nền gói IP do đó sẽ khơng còn chuyển
mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại. Kiến trúc mạng của 3G LTE
sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng 3G LTE 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 3G LTE mà khơng cần thay đổi tồn
bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. 3G LTE sử dụng cơng nghệ đa truy cập
OFDMA cho kênh xuống và SC-FDMA cho kênh lên và nó vẫn dựa trên cơng
nghệ ăng-ten MIMO để đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn.
Lợi điểm của WIMAX so với 3G LTE là WIMAX đã sẵn sàng để được
triển khai dịch vụ rộng khắp: thiết bị mạng WIMAX đã hồn thiện, thiết bị
đầu cuối WIMAX sẽ có mặt trong năm tới trong khi đó 3G LTE phải đợi
thêm vài năm nữa. WIMAX vừa cung cấp giải pháp cố định vừa cung cấp giải

pháp di động băng rộng với chi phí triển khai thấp hơn so với triển khai một
mạng 3G/3G LTE hoàn toàn mới. Do vậy, WIMAX thực sự gây được chú ý
của các nước đang phát triển mà ở đó mạng 3G chưa có, mạng Internet tốc độ
cao bằng cáp xDSL chưa rộng khắp.
So với WIMAX, 3G LTE đã có một cơng nghệ đi trước là 2G, 3G với
số lượng thuê bao đã có sẵn. Đây là một lợi thế lớn để triển khai 3G LTE. Đặc
biệt các thiết bị di động 3G LTE sẽ tương thích với các mạng thơng tin di
động thế hệ trước, do vậy người dùng sẽ có thể chuyển giao dễ dàng giữa
mạng 3G LTE với các mạng 2G GSM/GPRS/EDGE và 3G UMTS đã tồn tại.

Chương 2
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA WCDMA
17


2.1. Giới thiệu về 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 thơng 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 thơng tin đa
điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thơng tin di động thế hệ ba có thể cung
cấp dễ 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.
Đa phương tiện di động

KBit/s
2M

Y tế từ xa

Truyền hình hội nghị

Truyền hình hội nghị

Truy nhập cơ sở dữ liệu

18

(Chất lượng cao)

384

Quảng bá

Truy
nhập
Internet

Mua
hàng
theo

Video
theo
yêu cầu

Các dịch vụ
phân phối
thơng tin

Truyền
hình di
động


Hình 2.1. Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thông tin
di động thế hệ ba
Các nhà khai thác có thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng,
từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các
dịch vụ không liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT…
Công trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ
đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed: Phòng thí nghiệm đa truy

cập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme: Kỹ thuật
đa truy cập vô tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này đã
tiến hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường
truyền.
Theo các chuyên gia trong ngành viễn thông, đường tới 3G của GSM là
W-CDMA. Nhưng trên con đường đó, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di
động phải trải qua giai đoạn 2,5G. Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đó là: dữ
liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vơ tuyến gói chung GPRS
19


và Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE).
 Các đặc điểm của WCDMA
 Hiệu suất sử dụng tần số cao
Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống
nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập như TDMA và FDMA được
ứng dụng. Trong khi CDMA thường được coi là rất dễ để nâng cao hiệu suất
sử dụng tần số. Ví dụ, CDMA có thể đạt được một mức hiệu suất chắc chắn
nhờ sử dụng kỹ thuật điều chỉnh cơng suất phát chính xác, ngược lại TDMA
sẽ phải sử dụng đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt
được cùng mức hiệu suất như vậy. Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ
thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ
thống.
 Dễ quản lý tần số
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không
cần có qui hoạch tần số. Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và
TDMA cần phải đặc biệt chú ý đến qui hoạch tần số, có nhiều khó khăn liên
quan đến qui hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thường dẫn
tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất qui tắc và các đặc tính
địa hình phức tạp. Cần phải chú ý rằng các qui hoạch tần số khơng hồn chỉnh

sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số. CDMA không cần có qui hoạch tần số
như thế.
 Cơng suất phát của máy di động thấp
Nhờ có q trình tự điều chỉnh cơng suất phát (TPC) mà hệ thống WCDMA có thể làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát
yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc giảm này đồng nghĩa với giảm
công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho
phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp khi so với hệ
thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng cơng suất. Ngoài ra, việc giảm
20


công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu
cầu khi so với các hệ thống khác. Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ q trình
tự điều chỉnh cơng suất phát trong hệ thống W-CDMA là nó làm giảm cơng
suất phát trung bình. Trong đa số trường hợp thì mơi trường truyền dẫn là
thuận lợi đối với W-CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì cơng suất phát
cao ln ln được u cầu để khắc phục hiện tượng pha đinh theo thời gian.
 Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên
và đường xuống
Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình khơng đối xứng giữa
đường lên và đường xuống. Ví dụ, trong các hệ thống truy nhập khác như
TDMA sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường
xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó
để thiết lập cấu hình khơng đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ
rộng băng tần sóng mang của đường lên và đường xuống sẽ phải thay đổi.
Ngược lại, trong CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập
giữa đường lên và đường xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết
lập các tốc độ khác nhau ở đường lên và đường xuống. Điều này cho phép sử
dụng hiệu quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thơng tin
khơng đối xứng như truy nhập Internet. Khi khơng phát số liệu thì tài ngun

vơ tuyến khơng bị chiếm dụng; do đó, nếu một th bao chỉ thực hiện truyền
tin ở trên đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở trên
đường xuống thì các tài ngun vơ tuyến được sử dụng tương đương tài
nguyên cho một cặp đường truyền lên và xuống. Thông thường, TDMA và
FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các trường hợp
như vậy.
 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA (bảng 2.1)
Bảng 2.1. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA
21


CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA WCDMA

STT
1
2

Phương thức truy nhập
Phương thức truyền 2 chiều
(song công)

CDMA trải phổ trực tiếp
F DD

3

Độ rộng băng thơng

5 MHz

4

Tốc độ chíp

3,84 Mc/s

5

Khoảng cách sóng mang

200 kHz

6

Tốc độ số liệu

~ 2 Mbit/s

7

Độ dài khung số liệu

10, 20, 40, 80 ms

8

Mã hiệu chỉnh lỗi

Mã Turbo, mã xoắn

9

Phương thức điều chế số liệu

Đường xuống:QPSK, đường lên BPSK

10
11
12
13

Phương thức điều chế trải
phổ
Hệ số trải phổ (SF)

Đường xuống:QPSK, đường lên HPSK
4 ~ 512

Phương thức đồng bộ giữa Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ đồng
các trạm gốc

bộ)

Phương pháp mã hóa thoại

AMR ( 1,95 kbit/s-12,2 kbit/s)

Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng
BPSK: điều chế pha hai trạng thái
FDD: Song công phân chia tần số

HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai)
QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái.
Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện
tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) đã chủ trương xây dựng các hệ thống
vô tuyến tập trung trên sóng mang 5 MHz và cũng có thể bao gồm cả các
sóng mang 10 MHz và 20 MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ ba ( 3GPP) tập trung
22


hồn thiện các đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5 MHz và xóa bỏ các
đặc tính kỹ thuật cho các băng tần khác. Điều này có thể lý giải là do thực tế
thì sóng mang có băng tần 5 MHz là đủ để đạt được tốc độ truyền dẫn 2
Mbit/s mặc dù băng tần 20 MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền số liệu ở tốc
độ này, chứ không phải do mục tiêu của 3GPP là hồn thiện các đặc tính kỹ
thuật chi tiết càng nhanh càng tốt. Vì thế, phiên bản hiện tại về các đặc tính kỹ
thuật được đưa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và ETSI chỉ giới hạn
ở độ rộng băng tần 5 MHz.
Chế độ không đồng bộ (dị bộ) được áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả
năng không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS và như vậy sẽ cho
phép triển khai linh hoạt các BS. Nhờ việc thiết kế, cũng có thể áp dụng chế
độ đồng bộ giữa các BS. Độ dài khung cơ bản là 10 ms và cũng có thể có các
độ dài khác như trong bảng 2.1 do sử dụng kỹ thuật xen kẽ.
Phương thức điều chế số liệu là điều chế pha bốn trạng thái (QPSK) cho
đường xuống và điều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đường lên. Phương
thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) được áp dụng cho điều chế trải phổ ở
đường lên. Quá trình tách sóng dựa trên phương pháp tách sóng nhất quán có
sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu. Đối với đường xuống, các ký hiệu hoa tiêu
được ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều chỉnh cơng
suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong máy di động. Đối với
đường lên, các ký hiệu hoa tiêu được trải phổ bởi các mã trải phổ khác với số

liệu và được ghép vuông pha (I/Q) với số liệu. Điều này đảm bảo cho quá
trình truyền dẫn là liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ có thể thay
đổi và giảm thiểu các đỉnh trong dạng sóng truyền. Đó cũng là một cách hiệu
quả để giảm ảnh hưởng của các trường điện từ và giảm các yêu cầu đối với
mạch khuếch đại trong máy di động. SF biến thiên được áp dụng để thu được
các tốc độ truyền dẫn khác nhau. Đối với đường xuống, hệ số trải phổ biến
thiên trực giao (OVSF) được ứng dụng. Đa mã cũng có thể được sử dụng. Các

23


mã xoắn được sử dụng để mã hóa kênh. Đối với số liệu tốc độ cao, các mã
Turbo được sử dụng.
2.2. Cấu trúc mạng WCDMA
Sơ đồ cấu trúc mạng WCDMA được trình bày trên hình 2.2
UU

IU

Node
B

MSC
/VL
R

RNC

Node
B

USIM

IUb

CU

IUr

GMSC

PLMN,PST
NISDN

HLR

USIM

Node
B

SGSN

RNC

GGSN

Node
B
UE

UTRAN

CN

Internet

Các mạng
ngồi

Hình 2.2. Sơ đồ mạng WCDMA
Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt
chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần: mạng lõi
(CN) và mạng truy nhập vơ tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng tồn
bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS cịn mạng truy nhập vô tuyến là phần
nâng cấp của W-CDMA. Ngồi ra để hồn thiện hệ thống, trong W-CDMA
cịn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ
thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao
thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W- CDMA, trái lại mạng
lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính tồn cầu trên cơ sở cơng nghệ GSM.
WCDMA gồm có các phân hệ sau:
24


 UE (User Equipment): Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng
giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần:
- Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được
sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu.
- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thông minh
chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật tốn nhận thực,

lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu
cuối.
 UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network): Mạng truy nhập
vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô
tuyến. UTRAN gồm hai phần tử:
- Nút B: Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu.
Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển
các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RN C
cịn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi
CN.
 CN(core net work)
- HLR (Home Location Register): Là thanh ghi định vị thường trú lưu
giữ thơng tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này
bao gồm: Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển
mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như: trạng thái chuyển hướng cuộc
gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location
Register): Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ
chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các
giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch
người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ.
- GMSC (Gateway MSC): Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
25