Bài giảng Hệ thống viễn thông Chương 2: Trương Thu Hương (Chuẩn SEO)

Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS

Giảng viên: Trương Thu Hương Email: huong.truongthu@hust.edu.vn

Home 1

Nội dung

I.  Lịch sử phát triển và các thế hệ II.  Tổng quan cơ bản hệ thống UMTS

Home 2

I. Lịch sử phát triển và các thế hệ công nghệ mạng di động

Home 3

Các thuật ngữ cần biết

•  3G •  GSM •  UMTS •  WCDMA •  LTE •  GPRS •  3GPP •  ITU •  IEEE

Home 4

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

Home 5

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

Home 6

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

Home 7

Home 8

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

Home 9

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

Home 10

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, (cid:145)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-‐ Home

CDMA 1.23MHz)

•  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)

Home 12

•  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 ?)

Home 13

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

Home 14

Home 15

Lịch sử một thập kỉ của 3GPP

Home 16

Xu Hướng

•  4G •  Dịch vụ đa phương jện •  Băng rộng (thay thế ADSL), TV, Enterprises, thiết

bị người dùng thông minh (iPhone), …

Home 17

II. Cơ sở UMTS WCDMA

Quyển sách rất phổ biến

Home 18

Các thuật ngữ cần biết

•  CDMA •  DS-‐CDMA •  TDMA •  PN •  ISI •  FDD •  TDD

Home 19

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, (cid:145)nh riêng tư, bảo mật an toàn Chất lượng dịch vụ được đảm bảo jn cậy

Home 20

Nhiễu

Home 21

Phổ

•  Dải tần số UMTS 2000 MHz •  Chế độ Duplex : FDD vs TDD

Home 22

FDD và TDD

Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz

Băng thông 5MHz

Khoảng bảo vệ

Khoảng cách song công 190MHz

Home 23

WCDMA

•  Trải phổ:

–  Băng rộng, ISI •  CDMA, DS-‐CDMA

–  Mã: Channelizajon, Scrambling –  Tốc độ Chip: 3.84Mcps

Home 24

Cơ bản về WCDMA

•  Kênh 5MHz •  Linh động ở lớp vật lý trong việc (cid:145)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

Cch,SF,K Ch :mã kênh SF: hệ số trải phổ K : số mã

Tốc độ dữ liệu thấp hơn

Tốc độ dữ liệu cao hơn

29 Home

Mã trải phổ -‐ Trải phổ

Dùng

Home 30

Cơ bản về WCDMA

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

1/Tc + 1/Tb

1/Tb Nguồn phát

iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông giải

Đầu thu

Tín hiệu trải phổ v(t)c(t)

Tín hiệu phát

Tín hiệu bản jn v(t)

Direct Sequence Spread Spectrum v(t)c(t) Tín Tín hiệu bản jn hiệu v(t) trải phổ

Tín hiệu phát Điều chế

Chuỗi chip Mã C(t)

Sóng mang vô tuyến

Chuỗi chip Mã C(t)

Bộ phát

Bộ tương quan

Bộ thu

Home 32

Tạo ra (cid:145)n hiệu trải phổ DS

c t( ) =

)

# p t ! nTc (

C(t) +1 -‐1

n=!"

Tín hiệu PN

v t( ) =

)

# gT t ! nTb (

v(t) +1 -‐1

n=!"

Tín hiệu dữ liệu

V(t)C(t) +1 -‐1

Tín hiệu (cid:145)ch

Home 33

Hiệu ứng của nén phổ trên nhiễu băng hẹp

Tín hiệu trải phổ v(t)c(t), sau đó được điều biên và phát ra ngoài

v(t) Tín hiệu bản jn

u t( ) = Acv t( )c t( )cos2!fct $% "# = Ac cos 2!fct + ! t( )

1/Tb

1/Tc + 1/Tb

Nguồn phát

iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông dải

PI =

2 AI 2

PI R W

PI Tb Tc

r t( )c t( ) = Acv t( )cos2!fct + i t( )c t( )

r(t) = Acv t( )c t( )cos2!fct +i t( ) i t( ) = AI cos2!fIt

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 (cid:145)n hiệu trông giống

nhiễu nhiệt. –  Độ dài chuỗi: khung radio 10 ms, 38,400-‐chip

Home 36

Mã trộn

Mỗi user được ấn định 1 trong 224 mã trộn

Mỗi tế bào được ấn định 1 trong 512 PSC

Home 37

Ví dụ về cấp phát OVSF và mã trộn UL và DL

Home 38

Dung lượng liên kết với các công nghệ khác nhau

•  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

Home 39

Ghép kênh theo mã (CDMA)

•  Mỗi kênh có 1 code duy nhất

•  Ví dụ: UMTS

phổ cùng lúc

•  Tất cả các kênh sử dụng dùng chung •  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

Home 40

Bài giảng Hệ thống viễn thông: Chương 2 - Trương Thu Hương

Chủ đề:

Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS

Nội dung

I. Lịch sử phát triển và các thế hệ công nghệ mạng di động

Các thuật ngữ cần biết

1897 — ``The Birth of Radio'' -­‐ Marconi awarded patent for

1914 — First voice over radio transmission 1920s — Mobile receivers installed in police cars in Detroit 1935 — Frequency modulajon (FM) demonstrated by

Nhìn từ góc độ kỹ thuật mạng

I.3. Công nghệ tế bào toàn cầu

I.4. Chuẩn hóa và các bộ tài liệu jêu chuẩn kỹ thuật

Lịch sử một thập kỉ của 3GPP

II. Cơ sở UMTS WCDMA

Các thuật ngữ cần biết

Các vấn đề với hệ thống thông jn di động

Nhiễu

Phổ

FDD và TDD

WCDMA

Cơ bản về WCDMA

Băng thông UMTS-­‐WCDMA

Dải tần được cấp phát cho UMTS- WCDMA

Cơ bản về WCDMA – Từ mã

Mã trải phổ -­‐ Trải phổ

Cơ bản về WCDMA

Direct Sequence Spread Spectrum v(t)c(t) Tín Tín hiệu bản jn hiệu v(t) trải phổ

Tạo ra (cid:145)n hiệu trải phổ DS

# p t ! nTc (

# gT t ! nTb (

Hiệu ứng của nén phổ trên nhiễu băng hẹp

Cơ bản về WCDMA – Từ mã

Kỹ thuật trộn với Gold Codes

Mã trộn

Ví dụ về cấp phát OVSF và mã trộn UL và DL

Ghép kênh theo mã (CDMA)

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

1897 — ``The Birth of Radio'' -‐ Marconi awarded patent for

Băng thông UMTS-‐WCDMA

Mã trải phổ -‐ Trải phổ