Đồ án Tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử viễn thông và Thiết kế hệ thống W-CDMA

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 VÀ HỢP CHUẨN IMT_2000 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động đã đựoc đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được 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 được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng 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 lượng 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 tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Các hệ thống di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thong 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 lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn 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 được 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 được đưa vào hoạt động từ năm 1993, hiện đang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, Viettel là công ty thứ ba đưa vào khai thác hệ thống GSM trên thi trường 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 được 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 Bản cũng đã được đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử dụng ở một số nước. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 (CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G). Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (VD: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hoá được cải tiến, tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến. Bảng 1.1 mô tả các thông số cơ bản của các tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin tế bào số của Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu. Ngoài chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ CDMA, tất cả các chuẩn khác đều dựa trên công nghệ TDMA. Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống thông tin tế bào số Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba-IMT 2000 đang được nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (tương tự) và thứ hai (số), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (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 ba còn được 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 được đưa vào khai thác. Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G được minh hoạ ở hình 1.1. Hình 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G 1.2 TỔNG QUANVỀ IMT-2000 1.1.1 Mục tiêu của IMT-2000 Những nỗ lực trong nghiên cứu và phát triển đã được thực hiện cho IMT-2000 với mục đích cung cấp các dịch vụ đa phương tiện có chất lượng cao, tốc độ cao, khai thác một dải rộng các nội dung bao gồm thoại, số liệu và video trong môi trường di động. Hệ thống IMT-2000 có các mục tiêu sau: Các dịch vụ thông tin cá nhân nhờ nâng cao hiệu suất phổ (Cá nhân hoá) Nhờ nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng tần số và tối thiểu hoá đầu cuối sẽ cho phép thực hiện thông tin giữa “ người với máy ” và “ máy với máy”. Các dịch vụ thông tin xuyên suốt toàn cầu (Toàn cầu hoá) Người sử dụng sẽ có thể thông tin và nhận các dịch vụđồng nhất ở bất cứ đâu trên thế giới chỉ với một đầu cuối duy nhất. Các dịch vụ đa phương tiện qua hệ thống truyền dẫn có tốc độ và chất lượng cao (Đa phương tiện) Việc sử dụng băng thông rộng hơn cho phép truyền với chất lượng và tốc độ cao một dung lượng lớn số liệu, hình ảnh tĩnh và video bên cạnh các kết nối thoại. Liên minh Viễn thông Châu Âu (ITU) đã đặt ra các yêu cầu đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến IMT-2000 để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trong nhiều môi trường khác nhau như mô tả trong Bảng 1.2. Tốc độ yêu cầu là 144kbit/giây trong môi trường di chuyển tốc độ cao, 384kbit/giây khi di chuyển ở các tốc độ thấp và 2Mbit/giây trong môi trường trong nhà. Bảng 1.2 Các yêu cầu đối với Hệ thống truyền dẫn vô tuyến IMT-2000 Trong nhà Người đi bộ Trong xe ô tô Tốc độ truyền (kbit/s) 2048 384 144 Lĩnh vực kinh doanh Các dịch vụ thông tin di động đã được rất nhiều doanh nhân sử dụng ngay từ khi mới ra đời. Trong lĩnh vực kinh doanh, ngoài thông tin dữ liệu văn bản, IMT-2000 còn được sử dụngcho thông tin hình ảnh. Người ta rất trông đợi rằng các dịch vụ này sẽ giúp người sử dụng có thể thu nhận được một lượng lớn số liệu kinh doanh một cánh kịp thời cũng như trao đổi thông tin một cách kịp thời cũng như trao đổi thông tin một cách dễ dàng mọi lúc, mọi nơi. Lĩnh vực công cộng Một ví dụ điển hình về các ứng dụng được sử dụng trong lĩnh vực công cộng là dịch vụ thông tin khẩn cấp đã được sử dụng triệt để giá trị tiện lợi của các hệ thống di động trong việc giải quyết các trường hợp thảm hoạ. Các ứng dụng giám sát từ xa với vai trò hiện thực hoá việc thông tin liên lạc “từ máy đến máy” cũng được xem xét sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công cộng. Các dịch vụ tiềm năng khác bao gồm các dịch vụ như sử dụng hệ thống di động như một phần của hệ thống giao thông vận tải thông minh (IST), sử dụng i-mode cho lái xe an toàn, các hệ thống phương tiện đường thuỷ dựa trên các mạng thông tin và các hệ thống cho người đi bộ. Lĩnh vực cá nhân Lĩnh vực cá nhân đã trở thành một lĩnh vực quan trọng đối với hệ thống thông tin di động trong những năm gần đây. Với sự ra đời của IMT-2000, các hình thức tiên tiến của các dịch vụ Internet di động như i-mode dự kiến sẽ trở thành một phần của các ứng dụng cá nhân. Trong thông tin hình ảnh, điện thoại video đã xuất hiện, cùng lúc trong lĩnh vực thư tín, thư đa phương tiện đang được trông đợi cho phép người sử dụng có thể gửi kèm theo thư điện tử các bản tin hình ảnh và thoại. Còn đối với dịch vụ cung cấp thông tin, người ta hi vọng các dịch vụ cung cấp âm nhạc và hình ảnh sẽ được chấp nhận rộng rãi trên thị trường. 1.1.2 Chuẩn hoá IMT-2000 Nghiên cứu về IMT-2000 đã được Bộ phận thông tin vô tuyến của ITU(ITU-R) bắt đầu thực hiện từ năm 1958, ban đầu có tên là Hệ thống viễn thông di động mặt đất công cộng tương lai (FPLMTS) nhằm đạt được những mục tiêu đã kể trên. Cùng với nghiên cứu này, Bộ phận chuẩn hoá viễn thông của ITU (ITU-T) đã coi việc nghiên cứu IMT-2000 là một nhiệm vụ quan trọng và đã tiến hành các nghiên cứu về các giao thức báo hiệu lớp trên, các dịch vụ, các nhận dạng, mã hoá thoại/hình ảnh,v.v..Tiếp theo các nghiên cứu này là các nghiên cứu về các thông số kỹ thuật chi tiết do Dự án đối tác thế hệ 3 (3GPP) thưch hiện và những nỗ lực nhằm xây dựng sự thông nhất chung giữa các tổ chức hướng tới sự phát triển của một giao diện vô tuyến được chuẩn hoá. Các hoạt động chuẩn hoá IMT-2000 trong ITU-R ban đầu có tên là FPLMTS. ITU-R bắt đầu các nghiên cứu với việc làm rõ khái niệm hệ thống IMT-2000, bao gồm cả các hệ thống vệ tinh và mặt đất. ITU-R đã thống nhất các kiến nghị liên quan đến các nguyên tắc và khái niệm cơ bản, tiếp theo là các kiến nghị về khung chung và các yêu cầu của IMT-2000. Sau đó, ITU-R bắt đầu chuẩn bị một kiến nghị về giao diện vô tuyến nhằm đáp ứng những yêu cầu đặt ra trong các kiến nghị này. Trước hết, ITU-R làm rõ những yêu cầu tối thiểu đối với giao diện vô tuyến IMT-2000. Bảng 1.4 mô tả những yêu cầu này. Đáp lại, các quốc gia và tổ chức được yêu cầu đề xuất một giao diện vô tuyến có thể thoả mãn các yêu cầu này vào tháng 6/1998. Ngoài ITU, còn có các quốc gia, khu vực và các tổ chức cũng tiến hành các nghiên cứu như ARIB của Nhật và ETSI. Kết quả là 10 hệ thống thông tin mặt đất và 6 hệ thống thông tin vệ tinh đã được đề xuất lên ITU-R, tất cả các đề xuất này sau đó đã được đánh giá bởi một nhóm đánh giá gồm nhiều nước và tổ chức khác nhau. Sau khi các hệ thống này được xác nhận là đã thoả mãn yêu cầu của IMT-2000, các đặc tính chủ yếu của giao diện vô tuyến được cải tiến trên cơ sở xem xét các đặc tính tần số vô tuyến (RF) và các đặc tính băng gốc quan trọng. Những nỗ lực đồng thời xảy ra nhằm tạo dựng được sự thống nhất giữa những người chủ trương xây dựng một giao diện vô tuyến chuẩn, được thể hiện trong bản kiến nghị về các thông số cơ bản tháng 3/1999. Tại cuộc họp cuối cùng tháng 11/1999, ITU TG8/1 đã đạt được một thoả thuận về kiến nghị đối với các thông số kỹ thuật chi tiết của giao diện vô tuyến , bao gồm các thông số liên quan đến các lớp cao hơn. Bản kiến nghị dự thảo này đã được chính thức thông qua như một bản kiến nghị của ITU tại Hội nghị RA-2000 tổ chức vào tháng 5/2000. Như mô tả trong hình 1.3 và 1.4, bản kiến nghị đã đưa ra các nội dung liên quan đến giao diện vô tuyến như sau: Chuẩn giao diện vô tuyến bao gồm các công nghệ CDMA và TDMA CDMA bao gồm phương thức trải phổ trực tiếp song công phân chia theo tần số (FDD), phương thức đa song mang FDD và phương thức song công phân chia theo thời gian (TDD). Tốc độ chip tương ứng của phương thức trải phổ trực tiếp FDD và đa sóng mang FDD là 3,84 Mc/s và 3,6864 Mc/s. Nhóm TDMA bao gồm phương thức song mang đơn FDD và phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) / TDMA. Mỗi công nghệ vô tuyến này phải có thể hoạt động trên hai mạng lõi 3G chính [Ví dụ : phiên bản của GSM và ANSI-41 (Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ)] Các khuyến nghi nêu các thông số kỹ thuật của mỗi phương thức; trong đó phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp được gọi là W-CDMA. Hình 1.2 Cấu hình giao diện vô tuyến IMT-2000 Hình 1.3 Kết nối giữa các giao diện vô tuyến và các mạng lõi 1.2.2 Băng tần cho IMT-2000 Băng tần cho IMT-2000 đã được quy định tại Hội nghị quản lý vô tuyến thế giới -92 (WARC-92) vào năm 1992. Một dải phổ 230 Mhz trong băng tần 2 Ghz (1885-2025 Mhz, 2110-2200 Mhz) đã được phân chia cho IMT-2000. Tuy nhiên, sự bùng nổ nhu cầu đối với thông tin di động và các xu hướng đa phương tiện trong thông tin di động đã khiến cho ITU-R dự đoán vào giữa năm 1999 và 2000 rằng băng tần IMT-2000 sẽ trở nên không đủ trong tương lai gần. Đặc biệt, ITU-R dự báo số thuê bao IMT-2000 sẽ đạt con số 200 triệu thuê bao vào năm 2010, đồng thời, ITU-R cũng nhận thấy cần phải đảm bảo một băng tần chung toàn cầu để đạt được giá thành thấp hơn nhờ việc sử dụng chung các thiết bị đầu cuối IMT-2000 trên phạm vi toàn cầu và phát triển các chỉ tiêu kỹ thuật cho các thiết bị đầu cuối. ITU-R ước tính rằng vào năm 2010 sẽ thiếu băng thông khoảng 160 Mhz cho các hệ thống thông tin mặt đất và 2 × 67 Mhz cho các hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới. Để đáp ứng dự báo này, Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới 2000 (WRC-2000) đã đề xuất dành các băng tần 800 MHz (806-960 MHz), 1,7 GHz (1710-885 MHz) và 2,5GHz (2500-2690 MHz) để sử dụngcho IMT-2000 trên thế giới trong tương lai, còn việc phân chia thích hợp các tần số trong các băng tần này bởi mỗi quốc gia sẽ theo nhu cầu trong nước và các ứng dụng thương mại khác.