Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS - Luận văn, đồ án, luan van, do an

Cơ bản về thông jn vô tuyến và di động •  Wireless: – Anten/ EM-‐radio (Tx – Rx), fading, tần số vô tuyến và băng tần/phổ, điều chế – Số hóa: gói jn, mã hóa kênh/nguồn – Mulj-‐user -‐> đa truy nhập, đa kênh •  Mobile: – Mobility fading (ISI, Doppler ) – Chuyển giao, cells (base stajons) – Trung kế (Trunks), mạng truy nhập, mạng lõi

40 trang | Chia sẻ: thuychi11 | Lượt xem: 1024 | Lượt tải: 0

Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS Giảng viên: Trương Thu Hương Email: huong.truongthu@hust.edu.vn 1 Home Nội dung I.  Lịch sử phát triển và các thế hệ II.  Tổng quan cơ bản hệ thống UMTS 2 Home I. Lịch sử phát triển và các thế hệ công nghệ mạng di động 3 Home Các thuật ngữ cần biết •  3G •  GSM •  UMTS •  WCDMA •  LTE •  GPRS •  3GPP •  ITU •  IEEE 4 Home I. 1. Lịch sử liên lạc vô tuyến: 1867 — Maxwell predicts existence of electromagnejc (EM) waves 1887 — Hertz proves existence of EM waves; ﬁrst spark transmiqer generates a spark in a receiver several meters away 1880 -‐ ﬁrst wireless telephone conversajon occurred in 1880, when Alexander Graham Bell and Charles Sumner Tainter invented and patented the photophone, a telephone that conducted audio conversajons wirelessly over modulated light beams (which are narrow projecjons of electromagnejc waves) 1896 — Guglielmo Marconi demonstrates wireless telegraph to English telegraph oﬃce 5 Home I. 1. Lịch sử liên lạc vô tuyến: 1897 — ``The Birth of Radio'' -‐ Marconi awarded patent for wireless telegraph (ﬁrst England-‐France, later: across Atlanjc, then awarded Nobel physics prize) 1914 — First voice over radio transmission 1920s — Mobile receivers installed in police cars in Detroit 1935 — Frequency modulajon (FM) demonstrated by Armstrong 1946 — First interconnecjon of mobile users to public switched telephone network (PSTN) 1940s — Number of mobile users > 50K 1960s — Number of mobile users > 1.4M . Improved Mobile Telephone Service (IMTS) introduced; supports full-‐duplex, auto dial, auto trunking. Bell Labs: Patent for cellular networks, 1972 6 Home I. 1. Lịch sử liên lạc vô tuyến: 1976 — Bell Mobile Phone has 543 pay customers using 12 channels in the New York City area; 1979 — NTT/Japan deploys ﬁrst cellular communicajon system 1983 — Advanced Mobile Phone System (AMPS) deployed in US in 900 MHz band: supports 666 duplex channels 1989 — Groupe Spècial Mobile deﬁnes European digital cellular standard, GSM 1992 — First GSM phones approved for sale, First GSM network rollouts 1990 -‐ ca. 20 million subscribers world-‐wide 1993 — IS-‐95 code-‐division muljple-‐access (CDMA) spread-‐ spectrum digital cellular system deployed in US (Viterbi, Jacobs) 1999 — First of the "third generajon" cellular systems are standardized 7 Home 8 Home I.2. Cơ bản về thông jn vô tuyến và di động •  Wireless: – Anten/ EM-‐radio (Tx – Rx), fading, tần số vô tuyến và băng tần/phổ, điều chế – Số hóa: gói jn, mã hóa kênh/nguồn – Mulj-‐user -‐> đa truy nhập, đa kênh •  Mobile: – Mobility fading (ISI, Doppler) – Chuyển giao, cells (base stajons) – Trung kế (Trunks), mạng truy nhập, mạng lõi 9 Home Nhìn từ góc độ kỹ thuật mạng -‐  WPAN: 802.15, Bluetooth, NFC, UWB -‐  WLAN: 802.11: WiFi -‐  WMAN: 802.16 (WiMAX, WiBro) -‐  WWAN: -‐  Cellular networks: GSM, CDMA2000, UMTS, LTE -‐  WiMAX Extended 10 Home I.3. Công nghệ tế bào toàn cầu •  Được mô tả toàn cầu nhiều hơn với 1G, 2G, 2.5G, 3G, 3.5G, 4G •  1G: (1940 – 1990) –  Analog –  Voice –  Dịch vụ tồi, nh lưu động thấp –  NMT, C-‐Netz (Europe), AMPS (US), •  2G: (1990 -‐ ) –  Truyền phát số. Yêu cầu: dụng lượng hệ thống cao hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn –  Voice + một phần dữ liệu (SMS, CS data) –  Phủ sóng tốt hơn và hỗ trợ lưu động: RAN + Core Networks –  GSM (Châu âu, châu á), PDC (Nhật), IS-‐95 cdmaOne (Mỹ, N-‐ CDMA 1.23MHz) 11 Home •  2.5G & 2.75G: –  truyền dữ liệu yêu cầu mạng phát triển lên mạng thế hệ mới –  Chuyển mạch gói: domain riêng, Internet, QoS –  GPRS (2.5G) –  EDGE (EGPRS, 2.75G): •  3G (ITU: IMT-‐2000): jếp tục những cải jến dữ liệu lớn (PS) –  Yêu cầu: nâng cấp dung lượng hệ thống, khả năng tương thích với 2G, hỗ trợ đa phương jện và dữ liệu gói tốc độ cao đáp ứng được jêu chí (2 Mbps ở trạng thái cố định hay trong tòa nhà, 384 kbps khi đi bộ/ trong nội đô, 144 kbps ở trạng thái di chuyển vùng rộng) –  Dựa trên CDMA: •  GSM -‐> WCDMA; CDMA2000 •  TD-‐SCDMA –  Voice + Rich data ( + Video Telephony, LBS, ) –  Tiến hóa ở RAN (CN: CS, PS domains) 12 Home •  3.5+ G: (1998 -‐ –  HSDPA, HSUPA, HSPA+; EV-‐DO RevA, RevB, UMB –  MIMO •  4G: (2011 ): ví dụ IMT-‐Advanced (ITU) 2012 –  Ứng cử viên: LTE -‐> LTE-‐Advanced (OFDMA based), WiMAX 802.16m (bởi IEEE) –  Tiến hóa ở RAN và Core Networks –  Mạng chuyển mạch toàn IP ( Không CS!) •  Vietnam: lạc hậu khoảng ~ 10 năm: GSM (~2000), 3G (~2010), LTE (~2015-‐2017 ?) 13 Home I.4. Chuẩn hóa và các bộ tài liệu jêu chuẩn kỹ thuật •  ETSI (GSM, before 1998) •  3GPP: (3rd Generajon Partnership Project) –  since 12/1998 (Japan, Korea, Europe, US) –  Collaborated standardizajon of WCDMA/UMTS (& later LTE) –  Speciﬁcajons Groups (SG): GERAN, RAN, SA, CT ) –  Specs download all: hqp://www.3gpp.org/£p/Specs/ –  Specs series list: hqp://www.3gpp.org/speciﬁcajon-‐numbering •  3GPP2 •  IEEE (802.16e/m: WiMAX) •  ITU : IMT-‐2000, IMT-‐Advanced 14 Home 15 Home 16 Home Lịch sử một thập kỉ của 3GPP Xu Hướng •  4G •  Dịch vụ đa phương jện •  Băng rộng (thay thế ADSL), TV, Enterprises, thiết bị người dùng thông minh (iPhone), 17 Home II. Cơ sở UMTS WCDMA 18 Home Quyển sách rất phổ biến Các thuật ngữ cần biết •  CDMA •  DS-‐CDMA •  TDMA •  PN •  ISI •  FDD •  TDD 19 Home Các vấn đề với hệ thống thông jn di động •  Hệ thống yêu cầu gì? Cung cấp dịch vụ viễn thông –  Voice (conversajon, messaging) –  Data (fax, SMS/MMS, internet) –  Video (conversajon, streaming, broadcast) •  Phủ sóng bất cứ đâu •  Khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi (Anyjme Ubiquitous connecjvity, reachability) •  Vô tuyến không cần dây dẫn •  Di động theo chuyển động (terrestrial) •  Tích hợp, nhận diện, nh riêng tư, bảo mật an toàn •  Chất lượng dịch vụ được đảm bảo jn cậy 20 Home 21 Home Nhiễu Phổ •  Dải tần số UMTS 2000 MHz •  Chế độ Duplex : FDD vs TDD 22 Home FDD và TDD Home 23 Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz Khoảng bảo vệ Khoảng cách song công 190MHz WCDMA •  Trải phổ: – Băng rộng, ISI •  CDMA, DS-‐CDMA – Mã: Channelizajon, Scrambling – Tốc độ Chip: 3.84Mcps 24 Home Cơ bản về WCDMA •  Kênh 5MHz •  Linh động ở lớp vật lý trong việc ch hợp tất cả tốc độ dữ liệu trên một sóng mang duy nhất Home 25 Băng thông UMTS-‐WCDMA Home 26 Dải tần được cấp phát cho UMTS- WCDMA Home 27 Cơ bản về WCDMA – Từ mã •  Mã trải phổ – Họ mã: Spreading (or ChannelizaCon) Codes –  UMTS dùng họ Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) Codes – Được sử dụng để tách bạch ( kênh hóa) user trên đường Downlink – Dùng để tách các kênh dành riêng trên đường Uplink •  Mã trộn Home 28 Mã trải phổ -‐ hệ số trải phổ Home 29 Tốc độ dữ liệu cao hơn Tốc độ dữ liệu thấp hơn Cch,SF,K Ch :mã kênh SF: hệ số trải phổ K : số mã Mã trải phổ -‐ Trải phổ Home 30 Dùng Cơ bản về WCDMA 31 Hiệu ứng của trải phổ và nhiễu giao thoa i) Tín hiệu băng hẹp ii) Tín hiệu trải phổ ( băng rộng) Tín hiệu gốc Nhiễu băng rộng Nhiễu băng hẹp iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông giải Nguồn phát Đầu thu 1/Tb 1/Tc + 1/Tb 32 Home Direct Sequence Spread Spectrum Tín hiệu bản jn v(t) Chuỗi chip Mã C(t) Tín hiệu trải phổ Bộ tương quan Bộ phát Bộ thu Tín hiệu phát v(t)c(t) X Điều chế Tín hiệu bản jn v(t) Tín hiệu trải phổ v(t)c(t) Chuỗi chip Mã C(t) Sóng mang vô tuyến Tín hiệu phát Bộ phát Tạo ra n hiệu trải phổ DS Home 33 C(t) +1 -‐1 v(t) +1 -‐1 V(t)C(t) +1 -‐1 Tín hiệu PN Tín hiệu ch Tín hiệu dữ liệu v t( ) = an n=!" " # gT t ! nTb( ) c t( ) = cn n=!" " # p t ! nTc( ) Tb 34 v(t) iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông dải Nguồn phát 1/Tb 1/Tc + 1/Tb Tín hiệu bản jn Tín hiệu trải phổ v(t)c(t), sau đó được điều biên và phát ra ngoài u t( ) = Acv t( )c t( )cos2! fct = Ac cos 2! fct +! t( )"# $% Hiệu ứng của nén phổ trên nhiễu băng hẹp r(t) = Acv t( )c t( )cos2! fct + i t( ) i t( ) = AI cos2! fIt r t( )c t( ) = Acv t( )cos2! fct + i t( )c t( ) PIR W = PI Tb Tc PI = AI2 2 Cơ bản về WCDMA – Từ mã •  Mã trộn – UMTS dùng Gold Codes – Chuỗi giả nhiễu -‐ Pseudorandom Noise (PN) – Primary Scrambling Codes (PSC) cho đường Downlink – Mã trộn (Scrambling Codes) cho đường Uplink Home 35 Kỹ thuật trộn với Gold Codes •  Chuỗi trộn với tốc độ chip 3.84 Mcps •  Tại Downlink, dùng để tách cell. – 512 Primary Scrambling Codes •  Tại Uplink, tách bạch user –  ~16,8 triệu scrambling codes •  Quá trình trộn khiến n hiệu trông giống nhiễu nhiệt. – Độ dài chuỗi: khung radio 10 ms, 38,400-‐chip Home 36 Mã trộn Home 37 Mỗi tế bào được ấn định 1 trong 512 PSC Mỗi user được ấn định 1 trong 224 mã trộn Ví dụ về cấp phát OVSF và mã trộn UL và DL Home 38 39 Home •  Dung lượng liên kết của hệ thống hiện tại đang jến nhanh về giới hạn Shannon •  Hiệu suất sử dụng liên kết của 3G và 4G jến đến đường biên của Shannon Dung lượng liên kết với các công nghệ khác nhau 40 Home Ghép kênh theo mã (CDMA) •  Mỗi kênh có 1 code duy nhất •  Ví dụ: UMTS •  Tất cả các kênh sử dụng dùng chung phổ cùng lúc •  Lợi ích: •  Hiệu suất băng thông •  Không cần đồng bộ và kết nối •  Bảo vệ tốt khỏi nhiễu và trích ăn cắp dữ liệu •  Bất cập: •  Bộ thu phức tạp hơn •  Nhiễu giao thoa trong nội cell