Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động

Mục lục
Lời nói đầu
.............................................................................................................................
1
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
.............................................................................................................................
1
1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại
.................................................................................................................................
1
1.1.1. Lịch sử và phát triển
.................................................................................................................................
1
1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
.................................................................................................................................
10
1.1.3. Phân loại các loại hệ thống thông tin di động
.................................................................................................................................
14
1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động
.................................................................................................................................
17
1.3. Cấu trúc chung hệ thống thông tin di động GSM
.................................................................................................................................
19
1.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin di động GSM
.................................................................................................................................
19
1.3.2. Chức năng của các thành phần trong mạng GSM
.................................................................................................................................
20

1.3.2.1. Hệ thống chuyển mạch SS
.................................................................................................................................
20
1.3.2.2. Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC
.................................................................................................................................
20
1.3.2.3. Bộ ghi dịch tạm trú VLR
.................................................................................................................................
21
1.3.2.4. Bộ ghi định vị thường trú HLR
.................................................................................................................................
21
1.3.2.5. Quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực AUC
.................................................................................................................................
21
1.3.2.6. Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR
.................................................................................................................................
22
1.3.2.7. Tổng đài cổng GMSC
.................................................................................................................................
22
1.3.3. Hệ thống trạm gốc BSS
.................................................................................................................................
23
1.3.3.1. Bộ điều khiển trạm gốc BSC
.................................................................................................................................
23
1.3.3.2. Trạm thu phát gốc BTS
.................................................................................................................................
23

1.3.4. Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS
.................................................................................................................................
23
1.3.4.1. Khai thác và bảo dưỡng
.................................................................................................................................
23
1.3.4.2. Quản lý thuê bao
.................................................................................................................................
24
1.3.4.3. Quản lý thiết bị di động MS
.................................................................................................................................
25
1.3.5. Máy di động MS
.................................................................................................................................
25
1.3.6. Cấu trúc địa lý vùng mạng GSM
.................................................................................................................................
26
1.3.6.1. Vùng mạng
.................................................................................................................................
26
1.3.6.2. Vùng phục vụ MSC
.................................................................................................................................
26
1.3.6.3. Vùng định vị và quy hoạch
.................................................................................................................................
27.................................................................................................................................
1.3.6.4. Ô (Cell)
.................................................................................................................................
28

Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3
.............................................................................................................................
29
2.1. Tổng quan
.................................................................................................................................
29
2.2. Cấu trúc mạng CDMA
.................................................................................................................................
30
2.2.1. Máy thuê bao di động MS
.................................................................................................................................
32
2.2.1.1. Bộ giải điều chế
.................................................................................................................................
32
2.2.1.2. Bộ điều chế
.................................................................................................................................
33
2.2.2. Trạm gốc BS
.................................................................................................................................
33
2.2.2.1. Hệ thống con BTS
.................................................................................................................................
34
2.2.2.2. Thiết bị điều khiển trạm gốc BSC
.................................................................................................................................
35
2.2.2.3. Điều hành trạm gốc BSM
.................................................................................................................................
36

2.2.3. Trung tâm chuyển mạch di động (Tổng đài di động MSC)
.................................................................................................................................
37
2.2.3.1. Hệ thống chuyển mạch truy nhập ASS
.................................................................................................................................
38
2.2.3.2. Hệ thống mạng liên kết INS
.................................................................................................................................
38
2.2.3.3.Hệ thống điều khiển trung tâm CCS
.................................................................................................................................
38
2.2.4. Bộ đăng ký định vị thường trú HLR
.................................................................................................................................
39
2.2.5. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR
.................................................................................................................................
39
2.2.6. Trung tâm nhận thực AC
.................................................................................................................................
40
2.2.7. Hệ thống điều khiển OS
.................................................................................................................................
40
2.3. Kỹ thuật trải phổ
.................................................................................................................................
40
2.3.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS)
.................................................................................................................................
41

2.3.1.1. Các hệ thống DS/SS-BPSK
.................................................................................................................................
41
2.3.1.2. Các hệ thống DS/SS-QPSK
.................................................................................................................................
49
2.3.2. Hệ thống nhảy tần (FH/SS)
.................................................................................................................................
53
2.3.2.1. Các hệ thống FH/SS nhanh
.................................................................................................................................
54
2.3.2.2. Các hệ thống FH/SS chem.
.................................................................................................................................
58
2.3.3. Hệ thống nhảy thời gian (TH/SS)
.................................................................................................................................
58
Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ 3
.............................................................................................................................
60
3.1. Điều khiển công suất
.................................................................................................................................
60
3.1.1. Sự cần thiết của điều khiển công suất
.................................................................................................................................
60
3.1.2. Điều khiển công suất đường lên
.................................................................................................................................
61

3.1.2.1. Điều khiển công suất vòng hở
.................................................................................................................................
61
3.1.2.2. Điều khiển công suất vòng kín
.................................................................................................................................
65
3.1.3. Điều khiển công suất đường xuống
.................................................................................................................................
68
3.2. Tính toán dung lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA
.................................................................................................................................
71
3.2.1. Dung lượng cực đường truyền hướng lên
.................................................................................................................................
73
3.2.1.1. Tốc độ mã hoá thoại
.................................................................................................................................
77
3.2.1.2. Tích cực thoại
.................................................................................................................................
78
3.2.1.3. Can nhiễu
.................................................................................................................................
78
3.2.1.4. Tăng ích dải quạt
.................................................................................................................................
79
3.2.1.5. Điều khiển công suất chính xác
.................................................................................................................................
80

3.2.1.6. Phân tích tắc nghẽn (phương pháp truyền thống)
.................................................................................................................................
80
3.2.1.7. Phân tích tắc nghẽn mềm trong CDMA
.................................................................................................................................
81
3.2.2. Dung lượng đường truyền xuống
.................................................................................................................................
86
3.2.2.1. Tính gần đúng bậc nhất dung lượng đường truyền hướng xuống
.................................................................................................................................
86
3.2.2.2. Tính dung lượng: số người dùng
.................................................................................................................................
87
Kết luận
.................................................................................................................................
89
Tài liệu tham khảo
.................................................................................................................................
91
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nghành công nghệ điện tử, tin học, công nghệ
viễn thông trong những năm vừa qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày
càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp
ứng ngày càng tốt yêu cầu của khách hàng.
Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó tin
tức di động đóng vai trò rất quan trọng. Nhu cầu về thông tin ngày càng tăng
cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ, điều này đã thúc đẩy thế
giới phải tìm kiếm một phương thức thông tin mới. Và công nghệ CDMA đã

trở thành mục tiêu hướng tới của lĩnh vực thông tin di động trên thế giới.
Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ
GSM, tuy nhiên trong tương lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng được
các nhu cầu về thông tin di động, do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng
thông tin di động CDMA là một điều tất yếu. Xuất phát từ những suy nghĩ
như vậy nên em đã quyết định chọn đề tài : “Ứng dụng công nghệ CDMA
trong thông tin di động”.
Nội dung của đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.
Chương 2: Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 3.
Chương 3: Ứng dụng công nghệ CDMA trong thông tin di động thế hệ
3.
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng
do trình độ có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của các Thầy cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Hồ Quang Huy
cùng các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông đã giúp em hoàn thành đồ án
tốt nghiệp này.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Lịch sử phát triển, đặc điểm truyền sóng và phân loại
1.1.1. Lịch sử và phát triển
a. Lịch sử
Vào cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của các nhà bác học người ý
Marconi Guglielmo (1874-1937, giải Nobel vật lý 1909) đã cho they là thông
tin vô tuyến cỏ thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa nhau và di động.
Thông tin vô tuyến lúc đó chủ yếu sử dụng mã Morse, mãi cho tới năm 1928
hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, thoạt tiên cho cảnh sát.
Đến năm 1933 sở cảnh sát Bayone, New Jersey mới thiết lập được một hệ
thống thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Hồi
đó các thiết bị điện thoại di động rất cồng kềnh, nặng hàng choc kg, đầy tạp

âm và rất tốn nguồn do dùng các đền điện tử tiêu thụ nguồn lớn. Công tác
trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với khoảng cách
vài chục dặm. Sau đó quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai
và chỉ huy chiến đấu có hiệu quả. Các dịch vụ di động trong đời sống như
cảnh sát, cứu thương, cứu hoả, hàng hải, hàng không…cũng đã sử dụng thông
tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi. Chất lượng thông tin di
động hồi đó rất kém. Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến
tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi,
khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ. Tổng véc-tơ của các tín hiệu này làm
cho đường báo hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di
động hành tiến, mức tín hiệu thu thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho
chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên, tất cả các đặc tính
truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ được chống lại bằng
một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Trong khi ngày nay công nghệ mạch
tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Intergrated circuit) có thể sử dụng từ
hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh
hưởng xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có
không đến 10 đèn điện tử.
Băng tần có thể sử dụng được bởi công nghệ đương thời cho thông tin
vô tuyến luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho
phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi
các dịch vụ thông tin toàn cầu. Công nghệ hồi đó thì chưa thích hợp để đạt
được chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về
tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không được áp dụng để đạt được
mật độ người sử dụng cao. Do đó, suốt nhiều năm chất lượng của thông tin di
động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến do công nghệ không thích
hợp và các nhà tổ chức thông tin đã không sử dụng nổi độ rộng dải tần trên
các băng tần số cao.
Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại đang được
số hoá nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ

ít nguồn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chem. Chạp.
Các hệ thống vô tuyến di động nội bộ mặt đất đã bắt đầu sử dụng song mới
chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân
trong cộng đồng. Mặc dầu Bell Laboratories đã thai nghén ý đồ về một mạng
tế bào ngay từ khởi đầu việc phát triển một hệ thống liên lạc vô tuyến tế bào.
Thời kỳ ấp ủ lâu dài đó là do phải chờ đời các phát triển cần thiết trong công
nghệ. Chỉ tới khi có các mạch tích hợp thiết kế được một cách tuỳ chọn, các
bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng
lớn… mạng vô tuyến tế bào mới được biến thành hiện thực. Những năm thập
kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của một số hệ thống vô tuyến tế bào tương tự
thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đát công cộng (PLMR-
Public Land Mobile Radio). Làm việc ở giải UHF, các mạng này cho thấy một
sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của các hệ thống thông tin liên lạc dân
sự. Chúng cho phép người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di
động với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng PSTN (Public Switched Telphone Network) hoặc các mạng đa dịch
số ISDN (Intergratd Services Digital Network). Trong những năm 1990 đã có
những bước tiến hơn nữa trong thông tin di động với việc áp dụng các mạng
tế bào số (digital cellular system) và các hệ thống không dây số (digital
cordless telecommunication system). Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền
thống, các hệ vô tuyến di động số thế hệ thứ hai sẽ cung cấp một mảng các
dịch vụ mới khác như tiếng nói, truyền số liệu, truyền fax, truyền các tin
ngắn… Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên phạm vi
toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường và thay thế từng mảng
các dịch vụ thông tin cố định.
Từ năm 1997, Liên minh viễn thông quốc tế ITU (International
Telecom-munication Union) đã xây dựng tiêu chuẩn chung cho thông tin di
động thế hệ thứ ba (3
G
: Generation) trong dự án IMT – 2000 (International

Mobile Telecom-munications-2000). Mục đích của IMT-2000 là xây dựng tiêu
chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động toàn cầu, phục vụ nhiều
loại hình dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s.
b. Lộ trình phát triển từ các thế hệ hai đến thế hệ ba
 Lộ trình phát triển từ hệ thống IS-95 thế hệ hai đến CDMA2000 thế
hệ ba:
Nhu cầu về truyền số liệu trong tương lai sẽ cho phép các nhà khai thác
mạng viễn thông cung cấp rất nhiều tính năng mới của mạng và các dịch vụ
giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác mạng hiện có và triển khai các thế hệ
công nghệ tương lai. Cùng với Internet, Internet đang trở thành một trong
những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động
này là xây dựng các văn phòng vô tuyến để kết nối các cán bộ di động trong
công sở và xí nghiệp của họ. Ngoài ra tiềm năng to lớn đối với các công nghệ
mới cung cấp tin tức và các thông tin khác trực tiếp cho các thiết bị vô tuyến
sẽ tạo ra các luồng lợi nhuận mới cho các nhà khai thác.
Mặc dù các mạng cdmaOne (IS-95) không phải là các mạng đầu tiên
cung cấp truy nhập số liệu, nhưng đây là các mạng được thiết kế duy nhất để
cho phép truyền số liệu. Trước hết truyền dẫn tốc độ thay đổi có sẵn ở trong
cdmaOne cho phép quyết định lượng thông tin cần phát, vì thế cho phép chỉ
sử dụng tiềm năng mạng theo nhu cầu. Vì truyền dẫn thoại của các hệ thống
cdmaOne theo gói, nên các khả năng truyền số liệu gói đã cóbên trong thiết
bị. Công nghệ truyền dẫn số liệu gói của cdmaOne sử dụng ngăn xếp giao
thức số liệu gói số tổ ong (CDP: Cellular Digital Packet Data) phù hợp với
TCP/IP.
Bổ sung truyền số liệu vào mạng cdma2000 sẽ cho phép nhà khai thác
mạng tiếp tục sử dụng các phương tiện truyền dẫn, các phương tiện vô tuyến,
cơ sở hạ tầng và các máy cầm tay sẵn có bằng cách đơn giản nâng cấp phần
mềm cho chức năng tương tác. Nâng cấp lên IS-95B cho phép tăng tốc kênh
để cung cấp tốc độ số liệu 64-115 kbit/s và đồng thời cải thiện chuyển giao
mềm và chuyển giao cứng giữa các tần số. Các nhà sản xuất đã công bố các

khả năng số liệu gói, số liệu kênh và fax số trên các thiết bị cdmaOne.
Một trong các mục tiêu quan trọng của ITU IMT-2000 là tạo ra các tiêu
chuẩn để hỗ trợ một băng tần trên toàn cầu nhằm thúc đẩy ở mức đọ cao việc
nhiều người thiết kế và hỗ trợ các dịch vụ cao. ITM-2000 sẽ sử dụng các đầu
cuối bỏ túi kích cỡ nhỏ, mở rộng nhiều môi trường khai thác và trỉên khai cấu
trúc mở cho phép đưa ra các công nghệ mới. Ngoài ra các hệ thống 3G hứa
hẹn đem lại các dịch vụ thoại vô tuyến có các mức chất lượng hữu tuyến đồng
thời với tốc độ và dung lượng cần thiết để hỗ trợ đa phương tiện và các ứng
dụng tốc độ cao. Các dịch vụ trên cơ sở định vị, đạo hàng, hỗ trợ cấp báo, và
các dịch vụ tiên tiến khác cũng sẽ được hỗ trợ.
Một trong các yêu cầu kỹ thuật của cdma2000 là tương thích với hệ
thống cũ cdmaOne về: các dịch vụ thoại, các bộ mã hoá thoại, các cấu trúc
báo hiệu và các khả năng bảo mật.
Giai đoạn 1 của cdma2000 (hay 1xRTT) (RTT: Radio Transmission
Technology) sử dụng độ rộng băng tần 1,25 MHz và truyền số liệu đỉnh 144
kbit/s cho các ứng dụng cố định hay di động. Giai đoạn 2 của cdma2000
(3xRTT) sẽ sử dụng độ rộng băng tần 5 MHz và có thể cung cấp tốc độ số
liệu 144kbit/s cho các ứng dụng di động và xe cộ, và 2 Mbit/s cho các ứng
dụng cố định. Các nhà công nghiệp tiên đoán rằng giai đoạn 3xRTT sẽ dần
tiến tới 1 Mbit/s cho từng kênh lưu lượng hay kênh Walsh. Bằng cách hợp
nhất hay bó hai kênh, người sử dụng có thể đạt được tốc độ đỉnh 2 Mbit/s là
tốc độ đỉnh của IMT-2000.
Sự khác nhau cơ bản giữa giai đoạn một và giai đoạn hai của cdma2000
là độ rộng băng tần và thông lượng tổng hay khả năng tốc độ số liệu đỉnh.
Giai đoạn hai sẽ đưa ra các khả năng đa phương tiện tiên tiến và đặt nền móng
cho dịch vụ thoại 3G phổ biến, các bộ mã hoá thoại như VoIP (thoại trên nền
IP). Vì các tiêu chuẩn 1xRTT và 3xRTT phần lớn sử dụng chung các phần tử
vô tuyến băng gốc, nên các nhà khai thác có thể thực hiện một bước tiến căn
bản đến các khả năng đầy đủ của 3g bằng cách thực hiện 1xRTT. Cdma2000
giai đoạn hai sẽ bao gồm các mô tả chi tiết về các giao thức báo hiệu, quản lý

số liệu và các yêu cầu mở rộng từ vô tuyến 5 MHz đến 10 và 15 MHz trong
tương lai.
Cùng với sự ra đời của cdma 2000 giai đoạn một, các dịch vụ số liệu
cũng sẽ được cải thiện. Giai đoạn một cũng sẽ hình thành cơ cấu MAC
(Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) và định nghĩa
giao thức kết nối vô tuyến (RLP: Radio Link Protocol) cho số liệu gói để hỗ
trợ các tốc độ số liệu gói ít nhất là 144 kbit/s.
Triển khai giai đoạn hai cdma2000 sẽ mang lại rất nhiều các khả năng
mới và các tăng cường dịch vụ. Giai đoạn hai sẽ hỗ trợ tất cả các kích cỡ kênh
(6x, 9x và12x) cơ cấu cho các dịch vụ thoại, bộ mã hoá thoại cho cdma2000,
bao gồm tiếng trên IP. Trong giai đoạn hai, các dịch vụ đa phương tiện thực
sự sẽ được cung cấp và sẽ mang lại các cơ hội lợi nhuận bổ sung cho các nhà
khai thác. Các dịch vụ đa phương tiện sẽ có thể thực hiện được thông qua
MAC số liệu gói, hỗ trợ đầy đủ cho dịch vụ số liệu gói đến 2 Mbit/s, RLP hỗ
trợ tất cả các tốc độ số liệu đến 2 Mbit/s và mô hình gói đa phương tiện tiên
tiến .
Trong lĩnh vực dịch vụ và báo hiệu, giai đoạn hai cdma2000 sẽ đem đến
cấu trúc báo hiệu 3G cdma2000 tự sinh đối với điều khiển truy nhập kết nối
(LAC: Link Access Control) và cấu trúc báo hiệu lớp cao. Cấu trúc này sẽ đảm
bảo hỗ trợ để cải thiện tính riêng tư, nhận thực và chức năng mật mã. Cấu trúc
và thiết bị mạng hiện có của nhà khai thác sẽ ảnh hưởng lên quá trình chuyển
đổi này. Một mạng được xây dựng trên cấu trúc mở tiên tiến với lộ trình
chuyển đổi rõ ràng có thể nhận được các khă năng của 1xRTT bằng cách
chuyển đổi môđun đơn giản. Các mạng có cấu trúc ít linh hoạt hơn có thể đòi
hỏi các bước chuyển đổi tốn kém để thay thế toàn bộ hệ thống thu phát gốc
(BTS). Để đạt được tốc độ đỉnh 144 kbit/s, nhà khai thác có thể nâng cấp
phần mềm cho mạng và các trạm gốc để hỗ trợ giao thức số liệu của 1xRTT.
Thoả thuận mới đây giữa Qualcomm và Ericsson đề xuất ba chế độ
CDMA lựa chọn và phát triển dần dần của một tiêu chuẩn toàn cầu, tiêu
chuẩn này sẽ tương thích với cả ANSI-41 và GSM MAP. Cách làm này cho

thấy việc sử dụng các máy cầm tay đa chế độ và các giải pháp nảy sinh do thị
trường như là lộ trình chắc chắn nhất để thống nhất tiêu chuẩn CDMA 3G ở
thế hệ thông tin vô tuyến tiếp theo. Vì thuê bao đòi hỏi sự tiện lợi và công
suất vô tuyến lớn hơn, việc chuyển sang công nghệ 3G cho phép các nhà khai
thác hỗ trợ các khả năng cao hơn, giảm giá thành mạng và tăng tổng lợi
nhuận.

IS-95A
IS-95B
Cdma2000
giai đoạn 2
Cdma2000
giai đoạn 1
2 Mbit/s
144 Mbit/s
64 kbit/s
14,4 kbit/s
2G cdmaOne
3G
2002
Hình 1.1. Lộ trình phát triển từ cdmaOne đến cdma2000
 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM đến thế hệ hai
sang W-CDMA thế hệ ba
Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh
đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động hai sẽ được chuyển
đổi từng bước sang thế hệ ba. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi như
sau:

Hình 1.2. Lộ trình phát triển từ GSM đến W-CDMA
Ký hiệu:

HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc độ cao.
GPRS: General Packet Radio Service: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
Con đường đến 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng, ở
Châu Âu WCDMA được gọi là hệ thống viễn thông di động toàn cầu
(USMT). Trong cấu trúc dịch vụ 3G , cần có băng thông rất lớn và như thế
cần nhiều phổ tần hơn. ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ
phổ nào cho các dịch vụ 3G. Hoa Kỳ có khoảng 190 MHz phổ tần phân bổ
cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được
GSM GPRSHSCSD
WCDMA
pha 1
WCDMA
phân bổ 400 Mhz. Vì thế có thể tin rằng sự phát triển 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất
khác với phần còn lại của thế giới.
Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G. Nói chung 2,5G bao
gồm tất cả các công nghệ sau: dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD),
dichụ vụ vô tuyến nói chung (GPRS), tốc độ dự liệu nâng cao cho sự phát
triển GSM hay toàn cầu (EDGE).
 HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ. Thay vì
một khe thời gian (Ts), một trạm di động có thể sử dụng một số khe để kết nối
dữ liệu. Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối
đa 4Ts, 1Ts có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6 kbps. Đây là cách không tốn kém
nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cao phần mềm của mạng.
Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến. Bởi
vậy đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các Ts
một cách liên tục, them chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền.
 Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều
nhà cung cấp dịch vụ lực chọn. Tốc độ dữ liệu có thể lên tới 115,2 Kbps bằng
việc ding 8Ts. Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó

không sử dụng tài nguyên vô tuến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có
thông tin cần gửi đi. GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian
thực như email và lướt Web. Triển khai hệ thống này thì tốn kém hơn hệ
thống HSCSD. Mạng này cần các thành phần mới cũng như cần sửa đổi các
thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng
dung lượng, dịch vụ. Một mạng GMS mà không có khả năng GPRS thì sẽ
không tồn tại lâu trong tương lai. ở Việt Nam, quý IV năm 2005 Vinaphone
và Mobiphone cũng đã triển khai GPRS.
 Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự
phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384 Kbps
với 8Ts thay vì 14,4 Kbps cho mỗi Ts, EDGE đạt tới 48 Kbps cho mỗi Ts. ý
tưởng của EDGE là sử dụng phương pháp điều chế mới được gọi là 8 PSK.
EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với mạng GSM vì nó chỉ
yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc. Nó không thay thế hay nói đúng
hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khoá dịch tối thiểu Gausian
(GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể sử dụng máy di
động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn.
Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ GMSK. Nếu EDGE được sử dụng
cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS) còn
sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là CSD.
WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuến băng thông rộng sử dụng băngg
tần 5Mhz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2 Mbps. R
b
≤ 384 Kbps. Hiện ytại
cả Châu Âu và Nhật Bản đều đang thử nghiệm hoặc triển khai WCDMA và
công nghệ này đang tiến triển nhanh trên cong đường thương mại hoá.
1.1.2. Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động
Đặc tính truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu được ở máy
thu bị thay đổi so với tín hiệu đã được phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ
trễ. Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, mang nặng tính ngẫu nhiên. Sự

tác động của chúng tới chất lượng liên lạc phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố
khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần, khí quyển, tốc độ
truyền tin, tốc độ di chuyển của trạm di động, mật độ thuê bao trên một đơn vị
tần số trong một đơn vị diện tích, ăngten, công suất phát, sơ đồ điều chế…
Tuy nhiên, về cơ bản chúng ta có thể phân chia một cách vắn tắt các ảnh
hưởng truyền sóng này thành: ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao
đường truyền, pha đinh đa đường và trải trễ.
 Hiệu ứng Doppler: là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu đựơc so với
tín hiệu đã đựơc phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu trong qúa trình truyền sóng. Giả sử một sóng mang không bị điều chế
có tần số f
c
, được phát tới một máy thu đang di động với vận tốc v. Tại máy
thu, tần số của tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i sẽ là f = f
c
+ f
m
cosα
i
,
trong đó α
i
là góc tói của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy
thu, f
m
là lượng dịch tần Doppler, f
m
= v.f
c
/c, với c là vận tốc ánh sáng. Tổng

hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau trong
trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế dẫn tới tín
hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng về tần số với độ rộng
băng tần W
D
lên tới 2f
m
(tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ f
c
- W
s
/2 tới f
c
+ W
s
/2) thì tín hiệu nhận đựơc sẽ trải ra trên một dải tần số có độ
rộng tới cỡ W
s
+W
D
với tần số trung tâm có thể khác với f
c
. Như vậy, hiệu ứng
Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách trầm trọng. Chỉ
trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát (v=0) hoặc máy thu đang
chuyển động vuông góc với góc của tín hiệu (cosα
i
=0) thì tần số tín hiệu thu
mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát. Tuy nhiên, đối với thông tin
di động, việc máy thu đứng yên so với máy phát không có nghĩa là không xảy

ra hiện ứng Doppler. Các tia sóng từ các vật phản xạ di động như xe cộ, người
đi lại… vẫn có thể gây nên tác động Doppler tới tín hiệu thu đựơc tại máy thu.
Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia
sóng tới (cosα
i
=±1). Điều này thường xảy ra trong thông tin di động khi máy
thu đặt trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các ăngten trạm phát thì được bố
trí dọc theo xa lộ ( đựơc gắn trên các cầu vượt ngang qua xa lộ chẳng hạn).
 Tổn hao đường truyền: Tổn hao đường truyền là lượng suy giảm mức
điện thu so với mức điện phát. Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện
trung bình của tín hiệu thu giảm dần theo bình phương khoảng cách từ máy
phát tới máy thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu
sóng giảm dần theo bình phương khoảng cách giữa các ăngten thu và phát.
Trong thông tin di động trong môi trường khí quyển gần mặt đất, do hấp thụ
của môi trường truyền, do che khuất…tổn hao đường truyền có thể lớn hơn
rất nhiều tổn hao trong đìêu kiện truyền sóng trong không gian tự do. Tổn hao
đường truyền phụ thuộc tần số bức xạ, địa hình, tính chất môi trường, mức độ
di động của các chướng ngại, độ cao ăngten, loại ăngten… Trong thông tin vô
tuyến tế bào, trong nhiều trường hợp tổn hao đường truyền tuân theo luật mũ
4, tức là tăng tỷ lệ với luỹ thừa 4 của khoảng cách. Về nguyên tắc, tổn hao
đường truyền hạn chế kích thước tế bào và cự ly liên lạc, song trong nhiều
trường hợp ta có thể lợi dụng tính chất của tổn hao đường truyền để phân chia
hiệu quả các tế bào, cho phép tái dụng tần số một cách hữu hiệu làm tăng hiệu
quả sử dụng tần số.
 Pha đinh: Trong những quãng cách tương đối ngắn mức tín hiệu thu
tring bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu
lại ăngten thu lại có thể thăng giáng nhanh với mức thay đổi tiêu biểu lên tới
40dB. Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là pha-đinh
nhanh.
Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm

thu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát
đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ
bởi các cao ốc và các chướng ngại linh tinh khác trong vùng truyền sóng
trước khi tới máy thu. Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu
được tại máy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường
đi của nó) về pha, độ trễ, biên độ cũng như lượng dịch tần Doppler. Kết quả là
tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản với sóng
mang đã phát. Trong trường hợp nghiêm trọng, tổng véctơ của các tín hiệu tới
theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp. Hiện tượng này gọi là pha-
đinh đa đường (multipath fadinh). Khi máy di động di chuyển, mức điện thu
bị pha-đinh theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng dọc theo hành trình của
nó. Một khi pha-đinh rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thể giảm tới không,
tỷ số tín/tạp có thể giảm xuống nhỏ hơn 0 dB, khi đó đầu ra máy thu hoàn
toàn tuỳ thuộc vào nhiễu của kênh.
 Hiện tượng trải trễ: Trong thực tế, sóng mang được điều chế. Trong
thông tin di động số, ảnh hưởng của đặc tính truyền dẫn đa đường còn phụ
thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (symbol) và độ trải trễ (deley
spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ có thể xem như
độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi. Nếu số liệu
được truyền với tốc độ thấp thì sự trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại
phần thu. Đó là vì sự bành trướng của một xung số liệu do truyền theo nhiều
tia sóng khác nhau thì kết thúc trước khi xung tiếp theo được phát đi. Tuy thế
nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc mỗi symbol số liệu
sẽ trải hẳn sang các symbol số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu giữa các dấu
ISI (InterSymbol Interference). Nếu không có các mạch san bằng kênh nhằm
loại bỏ ISI thì tỷ lệ bít BER (Bit-Error Ratio) có thể sẽ lớn tới mức không
chấp nhận được. Giả sử ta vẫn cứ truyền số liệu với tốc độ lớn song đưa máy
di động lại đủ gần trạm cố định đồng thời giảm một cách thích hợp công suất
phát (tức là nếu thu hẹp kích thước tế bào) thì trải trễ nhìn chung là nhỏ. Khi
đó ISI sẽ còn không đáng kể và do vậy không cần đến san bằng kênh.

Pha-đinh được gọi là phẳng nếu nó xảy ra như nhau suốt cả dải tần số
của kênh. Pha-đinh là chọn lọc theo tần số khi nó xảy ra không đồng đều
trong dải tần số của kênh. Như vậy, kích thước tế bào có ảnh hưởng rất quan
trọng tới đặc điểm truyền sóng. Đối với các tế bào có kích thước lớn, các
mạch san bằng kênh là bắt buộc ngay cả khi truyền tốc độ thấp (vài chục
kb/s). Ngược lại, với các siêu vi tế bào (picocell) trong đó trải trễ nhỏ hơn 1µs
nhiều, pha-đinh là phẳng ngay cả với tốc độ số liệu vài choc Mb/s, khi đó
mạch san bằng kênh là không cần thiết. ở đây cần nhấn mạnh thêm rằng việc
có được đường nhìn thẳng LOS (Line-Of-Sight) giữa máy thu và máy phát
(thường xảy ra trong các vi tế bào) có ý nghĩa cải thiện chất lượng liên lạc đặc
biệt.
1.1.3. Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến di động:
a. Phân loại theo cấu trúc:
 Viễn thông không dây CT (Cordless Telecommunication): các mạng
không dây được thiết kế cho thông tin di động phủ sóng trên những khoảng
cách tương đối nhỏ như trong các môi trường công sở, nhà máy… Do kích
thước tế bào nhỏ, tốc độ truyền số liệu có thể khá cao mà không cần các mạch
san bằng phức tạp, them chí cũng không nhất thiết phải áp dụng mã hoá kênh.
Các mạng không dây tiêu biểu là DECT (Digital European Cordless
Telecommunications) của Châu Âu, CT-2 của Anh…
 Vành vô tuyến nội hạt WLL (Wireless Local Loop): Được sử dụng để
thực hiện nối các thuê bao hiện diện trong một vành đai đại lý quanh một trạm
gốc đơn tới mạng liên lạc công cộng bằng các thiết bị vô tuyến. Chất lượng
liên lạc, độ an toàn thông tin của vành vô tuyến nội hạt thì cũng tương tự như
của mạng thuê bao hữu tuyến. Tuỳ lĩnh vực áp dụng, cự ly liên lạc có thể là
200 m đến 500 m trong địa hình đô thị va có thể tới 20 km trong vùng nông
thôn. Thủ tục lắp đặt nhanh chóng, lắp đặt, bảo trì và điều phối khá rẻ. Tại
những vùng nông thôn hoặc ngoại ô hẻo lánh, nơi có mật độ thuê bao thấp,
khi việc lắp đặt các đường dây thuê bao biện thoại mới không mấy kinh tế thì
vành vô tuyến nội hạt trở nên rât hiệu quả.

b. Phân loại theo đặc tính:
 Vô tuyến di động tương tự: là các hệ thống điện thoại di động thế hệ
thứ nhất. Tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự, điều chế FSK (Frequency Shif
Keying). Phương thức đa truy nhập chủ yếu là FDMA. Các kênh điều khiển
thì đã được số hoá.
 Vô tuyến di động số: cả tín hiệu thoại lẫn các kênh điều khiển đều là
tín hiệu số. Ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống vô tuyến di động số
cónf cho phép khai thác một loạt các dịch vụ khác như truyền các tin ngắn,
truyền fax, truyền số liệu… Tốc độ truyền cao và có khả năng mã hoá thông
tin.
c. Phân loại theo phương thức đa truy nhập:
 Đa truy nhập theo tần số (FDMA): Được sử dụng chủ yếu trong thông
tin di động thế hệ thứ nhất, trong đó hai dải tần số có độ rộng W được sử dụng
cho đường xuống (down-link) từ BS tới MS và đường lên (up-link) từ MS tới
BC. Với mỗi một hướng liên lạc, mỗi một người sử dụng chiếm một dải tần
con có độ rộng W/N gọi là kênh và sử dụng kênh đó trong suốt thời gian liên
lạc. Đặc điểm của phương thức đa truy nhập theo tần số là tốc độ truyền thấp,
khó áp dụng các dịch phụ phi thoại, hiệu quả sử dụng tần số thấp, có bao
nhiêu kênh trong một tế bào thì phải có bấy nhiêu máy thu- phát làm việc trên
bấy nhiêu tần số đặt tại BS, do đó kết cấu BS cồng kềnh.
 Đa truy nhập theo thời gian (TDMA): Được sử dụng trong hầu hết các
hệ thống vô tuyến di động thế hệ hai, hoàn toàn số hoá. Với loại đa truy nhập
theo thời gian này, mỗi người sử dụng chiếm cả giải tần W trong một khe thời
gian nhất định, tuần hoàn trong suốt thời gian liên lạc. Đặc điểm: dễ dàng mở
các dịch vụ phi thoại, thiết bị trạm BS khá đơn giản do chỉ cần một máy thu
Thời gian
FDMA
Tần số
N
1

1
1
1
Hình 1.3. Đa truy nhập theo tần số
phát làm việc trên một cặp tần số ứng với các đường lên, xuống cho nhiều
người sử dụng, hiệu quả sử dụng tấn số cao hơn so với các hệ thống CDMA.
Đối với loại đa truy nhập này do tốc độ truyền số liệu khá cao, ISI tồn tại
trong quá trình liên lạc, do đó trong nhiều trường hợp các mạch san bằng khá
phức tạp là cần thiết. Đồng bộ cũng là một vấn đề đối với phương thức đa
truy nhập này.
 Đa truy nhập theo mã (CDMA): Là một dạng của đa truy nhập sử
dụng kỹ thuật trải phổ SSMA (Spread Spectrum Meltiple Access), trong đó
mỗi một người sử dụng toàn bộ phổ tần như với TDMA, trong toàn bộ thời
gian của cuộc gọi như đối với FDMA. Các người sử dụng được phân biệt với
nhau nhờ việc sử dụng các mã giả nhiễu PN (Pseudo Noise) khác nhau. Các
ưu điểm nổi bật của CDMA là hiệu sử dụng phổ rất cao, khả năng tái sử dụng
tần số rất cao, phương án bố trí tần số sử dụng trong các tế bào rất đơn giản,
độ an toàn thông tin và khả năng làm việc trong các tế bào rất đơn giản, độ an
toàn thông tin và khả năng làm việc trong các điều kiện nhiễu mạnh rất cao…
Mặc dầu có các ưu điểm nổi bật như vậy, cho đến nay CDMA chỉ được sử
dụng ở một số hạn chế các hệ thống do các vấn đề liên quan tới điều khiển
công suất, đồng bộ và việc tìm ra các mã PN cung cấp số kênh lớn. Cũng cần
phải nhấn mạnh thêm rằng, do hoàn cảnh lịch sử, hệ thống GSM (TDMA) ra
Tần số
Thời gian
TDMA
N1
1E 
Hình 1.4. Đa truy nhập theo thời gian
đời trước và đã được chấp nhận ở Châu Âu và nhiều nước khác trên thế giới,

bảo đảm tính lưu động (roaming) quốc tế trên một diện rất rộng trên toàn cầu
nên khả năng chiếm lĩnh thị trường và cạnh tranh của các hệ thống CDMA thế
hệ thứ hai hiện thời còn chưa cao. Tuy nhiên, trong tương lai rất gần khi nhu
cầu về thuê bao di động cũng như các nhu cầu liên lạc đa dịch vụ tăng lên rất
lớn, các biện pháp và công nghệ đủ mạnh thì các hệ thống CDMA sẽ chiếm
lĩnh ưu thế tuyệt đối. Phương thức đa truy nhập CDMA đã được lựa chọn sử
dụng trong nhiều tiêu chuẩn thông tin di động 3G (WCDMA hay
CDMA2000…). Theo ý kiến của các nhà chuyên gia hàng đầu thế giới, các
thế hệ tiếp theo của thông tin di động sẽ là các hệ thống CDMA và các phát
triển của nó.
1.2. Các đặc tính có bản của thông tin di động
Ngoài nhiệm vụ phải cung cấp các dịch vụ như mạng điện thoại cố định
thông thường, các mạng thông tin di động phải cung cấp các dịch vụ đặc thù
cho mạng di động để đảm bảo thông tin mọi lúc mọi nơi.
Để đảm bảo các chức năng trên thì các mạng thông tin di động phải đảm
bảo một số đặc tính cơ bản chung sau đây:
Thời gian
Mã
N
1
Tần số
CDMA
Hình 1.5. Đa truy nhập theo mã