Đang tải... (xem toàn văn)
Mạng Truyền Thông Di Động Và Tế Bào
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCMTRƯỜNG ĐH KHTNKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG------------------------o0o---------------------------Đồ Án Môn HọcMạng Truyền Thông Di Động Và Tế BàoGVGD : Thầy Trương Tấn QuangSVTH: Nguyễn Văn Liêm 0620031 Nguyễn Kim Long 0620034Nguyễn Thanh Tú 0620111Nguyễn Hữu Phước 0620055Học kì 1Năm học 2009-20101 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀIThời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới.Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện. Hệ thống 3G điển hình hiện nay là cdma2000 và WCDMA. WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng.Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống. Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân tập tín hiệu. Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten .Nội dung đồ án gồm 3 chương :- Chương 1:Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải quyết cho những nhược điểm. - Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân tập anten bằng bộ thu Beamformer-Rake. - Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE.2 MỤC LỤCChương 1: Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA .5Giới thiệu chung .51.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 .51.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 .61.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 .71.4. Lộ trình phát triển hệ thống di động thế hệ 2 (GSM) lên (WCDMA) .71.5. Tổng quan mạng WCDMA .81.5.1. Các thông số chính của mạng WCDMA .101.5.2. Những đặc điểm then chốt của mạng WCDMA .111.5.3. Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống WCDMA .111.5.4. Tính đa dạng phân tập trong hệ thống WCDMA 12Kết luận chương 14Chương 2: Khái Niệm Phân Tập Không Gian-Thời Gian 152.1 Giới thiệu 152.2 Anten Mảng 152.2.1 Mảng Anten dãy 162.3 Kỹ thuật Beamformer 182.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer trong mảng ULA 192.4 Nguyên tắc lấy mẫu trong xử lý không gian .212.5 Lợi ích của phân tập không gian .222.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake trong CDMA .222.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu 232.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC) 233 2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC) .242.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) 242.7 Bộ thu Beamformer_Rake .24Kết luận chương 25Chương 3: Các Kỹ Thuật Beamforming 263.1 Giới Thiệu 263.2 MSNR Beamforming .263.2.1 Kỹ Thuật MSNR .263.2.2 Phương Thức cải tiến SE cho Beamforming 283.2.3 Pha Tín Hiệu Trong Eigen-Beamforming 293.3. Kỹ thuật MSINR Beamforming .303.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SINR) .313.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) .323.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming .333.5 So sánh 2 kỹ thuật MSINR và MMSE trong trường hợp đơn giản 34Kết luận chương 364 CHƯƠNG 1HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình thay đổi thể hiện qua các thế hệ: Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA). Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phơng tiện gói.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập. Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống. Đặc điểm :- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến.- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu 5 cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung lượng và tốc độ.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số.Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập :- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. Đặc điểm:- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.- Giảm số máy thu ở BTS.- Giảm nhiểu giao thoa.Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng. Đặc điểm- Dải tần tín hiệu rộng .- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.6 - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.- Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt . 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc tiêu chính sau:- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông tin di động.- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động.3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMAĐể đảm bảo ứng dụng 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 thế hệ 2 sẽ được chuyển đổi sang thế hệ 3. Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1.Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:7 GSMWCDMAHSCSDGPRSHình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMAKý hiệu: GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di động toàn cầu. HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao. GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung. WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng.1.5 Tổng quan về mạng WCDMA WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụng công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ để phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ 8 việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động. Nó cũng được biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất. WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động. WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.• FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD đường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống được phân bố một cặp băng tần riêng biệt• TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó đường lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý được chia thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên.1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz) TDDRX/TXFDD UplinkTDDRX/TXFDDDownlinkf5MHzĐường lênĐường xuốngĐường lênĐường xuốngKhoảng Bảo vệ 5MHzttfFDDTDDHình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD9 Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau. Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA: Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến. Mạng lõi có hai vai trò chính : Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng. Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và phân loại thông tin tính cước và bảo mật. Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là chip) nhận được trải phổ trong WCDMA. Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 10 [...]... ,mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vào biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng [3] Trong trường... dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để truyền hay thu cùng một tín hiệu Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băng thông của hệ thống Kết luận chương Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệ thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di động Cuối chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu... trong hệ thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêm trọng Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading xảy ra... giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thu Trong chương tiếp sẽ giới thiệu các kỹ thuật khác nhau để xử lý phân tập không gian trong bộ thu Beamformer 29 CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING 3.1 Giới Thiệu Trong chương này sẽ giới thiệu những kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụng cho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di động tổ ong CDMA và hệ thống OFDM Ba kỹ thuật chính... Mô hình TDD được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô tuyến Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tính năng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào Điều khiển công suất chắc chắn... gian và thời gian song điều này đòi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp Trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng cách xử lý không gian Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ những địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông. .. lên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng cho cả hướng lên và hướng xuống WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó không giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn cầu GPS WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng... χ max 3 × 5.10 6 = 2 × 2000.10 6 τ max và băng thông tín hiệu được tính =0.0037 Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA 2.3 Kỹ thuật Beamformer Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trong những anten mảng Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu hữu ích của một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa... được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng nhiều trong hệ thống mạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 Quá trình xử lý thời gian trong bột hu Rake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu fading Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tổ hợp tín hiệu tương quan Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ và có hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận nhiều đường... giảm fading,có 3 loại phân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn vào mã sữa sai Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu Hệ thống CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading . KHTNKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG------------------------o0o---------------------------Đồ Án Môn HọcMạng Truyền Thông Di Động Và Tế BàoGVGD : Thầy Trương Tấn. thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số.Tất cả hệ thống thông tin di động
