Hệ thống thông tin di động W-CDMA

Học viện công nghệ b−u chính viễn thông Trung tâm đμo tạo b−u chính viễn thông I Hệ thống thông tin di động w-CDMA (Tμi liệu dμnh cho các khoá bồi d−ỡng) Biên soạn: KS. Nguyễn Văn Thuận Hμ Nội 12/2004 1 Đề c−ơng bμI giảng “ hệ thống thông tin di động W-CDMA” 1. Mục tiêu: Theo định h−ớng phát triển mạng thế hệ sau (NGN) của VNPT, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) sẽ đ−ợc triển khai, cụ thể là sẽ phát triển theo lộ trình từ hệ thống GSM hiện tại lên hệ thống W-CDMA nh− trong hợp chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định h−ớng này, tài liệu giảng dạy về “ Hệ thống thông tin di động W-CDMA” đ−ợc biên soạn nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA. 2. Đối t−ợng: Tài liệu không chỉ để sử dụng cho các khoá bồi d−ỡng ngắn hạn mà còn có thể sử dụng cho các cán bộ kỹ thuật đang công tác trên mạng l−ới của VNPT và các sinh viên ngành Điện tử -Viễn thông . 3. Độ dμI của tμI liệu : Khoảng 150 trang ( dự kiến) 4. Nội dung: Ch−ơng 1:Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 và hợp chuẩn IMT-2000 (10 trang) 1.1 Quá trình phát triển các thế hệ thông tin di động 1.2 Hợp chuẩn IMT- 2000 Ch−ơng 2: Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến trong W-CDMA (40 trang) 2.1 Công nghệ trải phổ W-CDMA (IMT-2000 CDMA-DS) 2.2 Các công nghệ truyền dẫn cơ bản trong W- CDMA 2.3 Các công nghệ để tăng dung l−ợng đ−ờng truyền Ch−ơng 3: Mạng truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA (50 trang) 3.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA 3.2 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến 3.3 Các kênh vô tuyến 3.4 Các thiết bị mạng truy nhập vô tuyến 2 3.5 Các thiết bị đầu cuối di động Ch−ơng 4: Các kỹ thuật xử lý đa ph−ơng tiện (40 trang) 4.1 Tổng quan 4.2 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đa ph−ơng tiện ( hình ảnh, âm thanh và thoại) 4.3 Các kỹ thuật xử lý đối với dịch vụ internet di động 4.4 Kỹ thuật xử lý tin nhắn đa ph−ơng tiện Ch−ơng 5: Viễn cảnh công nghệ của hệ thống thông tin di động W-CDMA (10 trang) 5.1 Viễn cảnh về các công nghệ vô tuyến 5.2 Viễn cảnh về các công nghệ mạng 5.3 Viễn cảnh về các công nghệ xử lý tín hiệu 5. Giáo viên biên soạn vμ hiệu chỉnh - Biên soạn: Nhóm giáo viên Vô tuyến của Trung tâmĐào tạo B−u chính Viễn thông 1 - Hiệu chỉnh: Các Giảng viên của Học viện BCVT và Chuyên viên của VNPT (dự kiến) Lời nói đầu Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động với khả năng giúp con ng−ời trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu đ−ợc trong xã hội thông tin ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, thông tin di động đã liên tục phát triển và đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã đ−ợc đ−a vào khai thác th−ơng mại ở nhiều n−ớc trên thế giới. ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đã và sẽ đ−ợc nhanh chóng triển khai. Đối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định h−ớng này, tài liệu giảng dạy về “ Hệ thống thông tin di động W-CDMA” đ−ợc biên soạn nhằm cung cấp cho học viên những kiến thức cơ bản về hợp chuẩn IMT-2000, công nghệ W-CDMA và hệ thống thông tin di động W-CDMA. Tài liệu không chỉ để sử dụng cho các khoá bồi d−ỡng ngắn hạn mà còn có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật đang công tác trên mạng l−ới của VNPT và các sinh viên ngành Điện tử -Viễn thông . Tài liệu đ−ợc chia làm 5 ch−ơng. Ch−ơng 1 giới thiệu tổng quan về quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động, so sánh lộ trình phát triển lên thông tin di động thế hệ thứ 3 từ cdmaOne và GSM, sau cùng là phần khái quát về hợp chuẩn IMT-2000. Ch−ơng 2 đề cập đến các công nghệ truyền dẫn vô tuyến trong W-CDMA nh− công nghệ trải phổ trực tiếp, các công nghệ để tăng dung l−ợng đ−ờng truyền. Ch−ơng 3 tập trung mô tả mạng truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động W-CDMA với các thiết bị mạng truy nhập và thiết bị đầu cuối di động. Ch−ơng 4 đề cập đến các nội dung sâu hơn về hệ thống W-CDMA đó là các kỹ thuật xử lý đa ph−ơng tiện nh− xử lý hình ảnh, Internet di động, tin nhắn đa ph−ơng tiện. Cuối cùng, ch−ơng 5 giới thiệu đến bạn đọc những viễn cảnh công nghệ của hệ thống thông tin di động W-CDMA. Mặc dù đã hết sức cố gắng và đã nhận đ−ợc nhiều ý kiến đóng góp quí báu từ các chuyên gia và các đồng nghiệp, nh−ng cuốn sách chắc chắn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận đ−ợc ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách đ−ợc hoàn chỉnh hơn. Mọi đóng góp xin gửi về Trung tâm Đào tạo B−u chính Viễn thông 1, Thị xã Hà đông, Tỉnh Hà tây. Điện thoại: 048549607. Tháng 12 năm 2004 Trung tâm Đμo tạo B−u chính Viễn thông 1 1 Mục lục Ch−ơng 1: Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 và hợp chuẩn IMT-2000...................................................................................4 1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động.....................................4 1. 2. Tổng quan về IMT-2000 .................................................................................9 1.2.1 Mục tiêu của IMT-2000.................................................................................9 1.2.2 Chuẩn hóa IMT-2000...................................................................................11 1.2.3 Băng tần IMT-2000......................................................................................13 ch−ơng 2: Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến W- CDMA ............15 2.1 Công nghệ trải phổ W- CDMA ......................................................................15 2.1.1 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA)..........................................15 2.1.2 Mã trải phổ và đồng bộ mã trải phổ.............................................................17 2.1.3 Cấu hình chức năng của máy phát và máy thu vô tuyến..............................18 2.1.4 ứng dụng −u điểm của công nghệ W-CDMA trong thông tin di động........19 2.2 Các công nghệ truyền dẫn cơ bản trong W- CDMA...................................22 2.2.1 ấn định mã trải phổ hai lớp và điều chế trải phổ .........................................23 2.2.2 Tìm nhận ô ...................................................................................................26 2.2.3 Truy nhập ngẫu nhiên ..................................................................................30 2.2.4 Các công nghệ để thoả mãn các yêu cầu về chất l−ợng khác nhau trong truyền dẫn đa tốc độ.....................................................................................31 2.2.5 Phân tập đa dạng .........................................................................................44 2.3 Các công nghệ để tăng dung l−ợng đ−ờng truyền trong W- CDMA..........52 2.3.1 Thiết bị triệt nhiễu........................................................................................53 2.3.2 Phân tập dàn anten thích ứng .......................................................................59 ch−ơng 3: Mạng truy nhập vô tuyến ........................................................66 3.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế đối với hệ thống vô tuyến W-CDMA....66 3.2 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến................................................................67 3.2.1 Các đặc điểm của W-CDMA .......................................................................67 3.2.2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA ...............................................69 2 3.2.3 Cấu trúc của mạng truy nhập vô tuyến ........................................................72 3.2.4 Các công nghệ then chốt trong W-CDMA ..................................................73 3.2.5 Kỹ thuật thu phát song công (hai chiều) phân chia theo thời gian (TDD) và Kỹ thuật thu phát song công phân chia theo tần số (FDD) ..........................77 3.3 Các kênh vô tuyến ...........................................................................................77 3.3.1 Các kênh lôgíc..............................................................................................80 3.3.2 Các kênh truyền tải .....................................................................................80 3.3.3 Các kênh kênh vật lý...................................................................................82 3.4 Các thiết bị mạng truy nhập vô tuyến ...........................................................85 3.4.1 Tổng quan về cấu hình hệ thống thiết bị truy nhập vô tuyến.......................85 3.4.2 BTS..............................................................................................................86 3.4.3 RNC .............................................................................................................91 3.4.4 MPE .............................................................................................................92 3.4.5 Anten BS ......................................................................................................94 3.5 Các thiết bị đầu cuối di động........................................................................100 3.5.1 Triển khai các thiết bị đầu cuối di động ....................................................100 3.5.2 Các đặc tính kỹ thuật truy nhập vô tuyến và các công nghệ phần cứng ....103 3.5.3 UIM............................................................................................................109 3.5.4 Các công nghệ thiết bị hiển thị ..................................................................112 3.5.5 Giao diện ngoài ..........................................................................................114 3.5.6 Viễn cảnh t−ơng lai của các thiết bị đầu cuối di động...............................119 Ch−ơng 4: Các kỹ thuật xử lý đa ph−ơng tiện ...................................121 4.1 Tổng quan ......................................................................................................121 4.2 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đa ph−ơng tiện .................................................121 4.2.1 Xử lý hình ảnh............................................................................................121 4.2.2 Xử lý âm thanh và thoại .............................................................................128 4.2.3 Các hệ thống xử lý tín hiệu đa ph−ơng tiện ...............................................133 4.3 Các kỹ thuật xử lý đối với dịch vụ Internet di dộng...................................139 4.3.1 Các dịch vụ ISP di động.............................................................................139 4.3.2 Các kỹ thuật phát tán thông tin đa ph−ơng tiện .........................................144 4.3.3 Các ngôn ngữ đánh dấu nội dung ..............................................................148 3 4.3.4 Chuẩn hóa Internet di động (WAP) ...........................................................151 4.4 Các kỹ thuật xử lý tin nhắn đa ph−ơng tiện................................................155 4.4.1 Tổng quan ..................................................................................................155 4.4.2 Các xu h−ớng tiêu chuẩn hóa.....................................................................156 4.4.3 Mô hình nguyên lý.....................................................................................156 4.4.4 Mô hình triển khai .....................................................................................157 4.4.5 Kỹ thuật phát tin quảng bá.........................................................................158 Ch−ơng 5: Viễn cảnh công nghệ của các hệ thống thông tin di động W-CDMA.....................................................159 5.1. Tổng quan .....................................................................................................159 5.2. Viễn cảnh về các công nghệ vô tuyến..........................................................160 5.2.1 Ph−ơng thức TDD ......................................................................................160 5.2.2 Truy nhập gói đ−ờng xuống tốc độ cao (HSPDA).....................................163 5.3 Viễn cảnh về các công nghệ mạng................................................................165 5.3.1 Thông tin gói IP trong các mạng thông tin di động ...................................165 5.3.2 Xu h−ớng công nghệ trong các mạng IP...................................................166 5.3.3 Triển khai và cấu hình mạng IP hoá hoàn toàn..........................................168 5.4 Viễn cảnh về các công nghệ xử lý tín hiệu...................................................169 5.4.1 Công nghệ tránh kết nối chuyển tiếp ........................................................170 5.4.2 Công nghệ mã hoá đa tốc độ thích ứng băng rộng (AMR-WB) ................171 5.4.3 Truyền thông đa ph−ơng tiện theo gói .......................................................172 Các từ viết tắt ...................................................................................................175 Tài liệu tham khảo..........................................................................................178 4 Ch−ơng 1 Tổng quan về thông tin di động thế hệ thứ 3 vμ hợp chuẩn IMT-2000 1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Thông tin di động đã đ−ợc đ−a vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ đ−ợc sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác đ−ợc biết đến hơn 50 năm tr−ớc đây, nh−ng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi và có dung l−ợng rất thấp.Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống t−ơng tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Cỏc hệ thống thụng tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiờn tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện (TACS) và Hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung l−ợng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng đ−ợc các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v... Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM đ−ợc phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu âu ở băng tần 900MHz. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động đ−ợc đ−a vào hoạt động vào năm 1993, hiện đang đ−ợc hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, mới đây Viettel là công ty thứ ba đ−a vào khai thác hệ thống GSM trên thị tr−ờng thông tin di động Việt nam. Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng đ−ợc nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced cordless Telecoms) của châu Âu và PHS của Nhật cũng đã đ−ợc đ−a vào khai thác. Ngoài kỹ 5 thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA đ−ợc đ−a vào sử dụng ở một số n−ớc. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng ph−ơng pháp truy nhập TDMA nh− GSM (Châu Âu), PDC ( Nhật) hoặc ph−ơng pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 ( CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2( 2G). Cỏc hệ thống thụng tin tế bào số cú nhiều điểm nổi bật như chất lượng thụng tin được cải tiến nhờ cỏc cụng nghệ xử lý tớn hiệu số khỏc nhau, nhiều dịch vụ mới (VD: cỏc dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mó húa được cải tiến, tương thớch tốt hơn với cỏc mạng số và phỏt huy hiệu quả dải phổ vụ tuyến. Bảng 1.1 mụ tả cỏc thụng số cơ bản của cỏc tiêu chuẩn cho các hệ thống thụng tin tế bào số của Nhật Bản, Mỹ và Chõu Âu. Ngoài chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ CDMA, tất cả cỏc chuẩn khỏc đều dựa trờn cụng nghệ TDMA. Bảng 1.1 Cỏc thụng số cơ bản của Hệ thống thụng tin tế bào số Bắc Mỹ PDC (Nhật Bản) IS-54 IS-95 Chõu Âu GSM Băng tần 800MHz/1,5 GHz 800 MHz 900 MHz Khoảng cỏch tần số 50 kHz (xen kẽ 25kHz ) 50 kHz (xen kẽ 25 kHz ) 1,25 MHz 400 kHz ( xen kẽ 200 kHz ) Cơ chế truy nhập TDMA/FDD TDMA/FDD DS- CDMA/FDD TDMA/FDD Cơ chế mó húa thoại 11,2 kbit/giõy VSELP 5,6 kbit/giõy PSI-CELPP 13 kbit/ giõy VSELP 8,5 kbit/ giõy QCELP tốc độ biến thiên 4 nấc 22,8 kbit/ giõy RPE-LTP-LPC 11,4 kbit/giõy EVSI Ph−ơng pháp điều chế QPSK QPSK Hướng xuống: QPSK Hướng lờn: OQPSK GMSK * Chỳ thớch: RPE: Mó húa dự bỏo kớch thớch xung đều LTP: Mó húa dự bỏo dài hạn LPC: Mó dự bỏo tuyến tính; FDD: Song cụng chia tần số; và PSI-CELP: Dự bỏo tuyến tính kớch thớch mó - Đổi đồng bộ âm. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba -IMT 2000 đang đ−ợc nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (t−ơng tự) và thứ 2 ( số), hệ thống thông tin di động thế hệ 6 thứ 3 (3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch vụ ở tốc độ bít lên tới 2 Mb/s( có thể sử dụng truy cập Internet, truyền hình và thêm nhiều dịch vụ mới khác). Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn đ−ợc gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu đ−ợc đ−a vào khai thác. Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G đ−ợc minh hoạ ở hình 1.1. Các bảng d−ới đây giới thiệu tổng quan về các hệ thống ở thế hệ 2,5G và 3G và những đặc điểm khi phát triển lên 3G theo hai h−ớng chính trong IMT-2000: Từ GSM lên 3G và từ cdmaOne lên 3G. Mạng lõi GSM 3G 2,5G2G Mạng lõi IS -41 GSM TDMA cdma One IS-95A GPRS cdmaOne IS-95B EDGE cdma2000 1X W-CDMA cdma2000 1x EV-DV cdma2000 1x EV-DO * cdma2000 1xEV-DO : cdma2000 1xEV-Data Only ( cdma 2000 1X phát triển lên - Chỉ dành cho số liệu) ** cdma2000 1xEV-DV : cdma2000 1xEV-Data/Voice ( cdma 2000 1X phát triển lên - Dành cho cả số liệu và thoại) Hình 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G 7 Bảng 1.2 Từ GSM lên 3G Yêu cầu thiết bị truyền số liệu gói GSM CSD (GSM số liệu chuyển mạch kênh) GPRS (Dịch vụ vô tuyến gói chung) EDGE (Các tốc độ số liệu bậc cao để phát triển GSM ) IMT-2000 CDMA DS (W-CDMA) Các máy di động cầm tay Các máy di động đơn mốt (một chế độ hoạt động) không có khả năng xử lý số liệu gói Các máy di động cầm tay mới Các máy di động cầm tay GPRS cho phép làm việc trên mạng GPRS* và trên mạng GSM ở tốc độ số liệu 9,6 Kbit/s, đây là các máy CSD hai chế độ hoạt động. Các máy di động cầm tay mới Các máy cầm tay EDGE sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 384 Kbit/s** trên các mạng EDGE và GPRS và ở tốc độ 9,6 Kbit/s trên mạng GSM- đây là các máy CSD ba chế độ hoạt động. Các máy di động cầm tay mới. Các máy cầm tay CDMA DS sẽ làm việc ở tốc độ lên tới 2Mbit/s*** trên các mạng 3G. Các máy này có bốn chế độ hoạt động Cơ sở hạ tầng thiết bị Không có khả năng xử lý số liệu gói Cần lắp thêm các m