Bài giảng Hệ thống viễn thông - Chương 3, Phần 1: Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống viễn thông - Chương 3, Phần 1: Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS

1. Kỹ thuật trải phổ trong mạng di dộng 3G UMTS Giảng viên: Trương Thu Hương Email: huong.truongthu@hust.edu.vn Home 1
2. Nội dung I. Lịch sử phát triển và các thế hệ II. Tổng quan cơ bản hệ thống UMTS Home 2
3. I. Lịch sử phát triển và các thế hệ công nghệ mạng di động Home 3
4. Các thuật ngữ cần biết • 3G • GSM • UMTS • WCDMA • LTE • GPRS • 3GPP • ITU • IEEE Home 4
5. I. 1. Lịch sử liên lạc vô tuyến: 1867 — Maxwell predicts existence of electromagnec (EM) waves 1887 — Hertz proves existence of EM waves; first spark transmier generates a spark in a receiver several meters away 1880 - first wireless telephone conversaon occurred in 1880, when Alexander Graham Bell and Charles Sumner Tainter invented and patented the photophone, a telephone that conducted audio conversaons wirelessly over modulated light beams (which are narrow projecons of electromagnec waves) 1896 — Guglielmo Marconi demonstrates wireless telegraph to English telegraph office Home 5
6. I. 1. Lịch sử liên lạc vô tuyến: 1897 — ``The Birth of Radio'' - Marconi awarded patent for wireless telegraph (first England-France, later: across Atlanc, then awarded Nobel physics prize) 1914 — First voice over radio transmission 1920s — Mobile receivers installed in police cars in Detroit 1935 — Frequency modulaon (FM) demonstrated by Armstrong 1946 — First interconnecon 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
7. 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 communicaon 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 mulple-access (CDMA) spread- spectrum digital cellular system deployed in US (Viterbi, Jacobs) 1999 — First of the "third generaon" cellular systems are Home 7 standardized
8. Home 8
9. I.2. Cơ bản về thông n 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 n, mã hóa kênh/nguồn – Mul-user -> đa truy nhập, đa kênh • Mobile: – Mobility fading (ISI, Doppler ) – Chuyển giao, cells (base staons) – Trung kế (Trunks), mạng truy nhập, mạng lõi Home 9
10. 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
11. 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) Home 11
12. • 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): ếp tục những cải ến dữ liệu lớn (PS) – Yêu cầu: nâng cấp dung lượng hệ thống, khả năng tương thích với 2G, hỗ trợ đa phương ện và dữ liệu gói tốc độ cao đáp ứng được êu 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
13. • 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
14. I.4. Chuẩn hóa và các bộ tài liệu êu chuẩn kỹ thuật • ETSI (GSM, before 1998) • 3GPP: (3rd Generaon Partnership Project) – since 12/1998 (Japan, Korea, Europe, US) – Collaborated standardizaon of WCDMA/UMTS (& later LTE) – Specificaons Groups (SG): GERAN, RAN, SA, CT ) – Specs download all: hp://www.3gpp.org/p/Specs/ – Specs series list: hp://www.3gpp.org/specificaon-numbering • 3GPP2 • IEEE (802.16e/m: WiMAX) • ITU : IMT-2000, IMT-Advanced Home 14
15. Home 15
16. Lịch sử một thập kỉ của 3GPP Home 16
17. Xu Hướng • 4G • Dịch vụ đa phương ện • Băng rộng (thay thế ADSL), TV, Enterprises, thiết bị người dùng thông minh (iPhone), Home 17
18. II. Cơ sở UMTS WCDMA Quyển sách rất phổ biến Home 18
19. Các thuật ngữ cần biết • CDMA • DS-CDMA • TDMA • PN • ISI • FDD • TDD Home 19
20. Các vấn đề với hệ thống thông n di động • Hệ thống yêu cầu gì? Cung cấp dịch vụ viễn thông – Voice (conversaon, messaging) – Data (fax, SMS/MMS, internet) – Video (conversaon, streaming, broadcast) • Phủ sóng bất cứ đâu • Khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi (Anyme Ubiquitous connecvity, 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 n cậy Home 20
21. Nhiễu Home 21
22. Phổ • Dải tần số UMTS 2000 MHz • Chế độ Duplex : FDD vs TDD Home 22
23. FDD và TDD Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz Băng thông 5MHz Khoảng bảo vệ Khoảng cách song công 190MHz Home 23
24. WCDMA • Trải phổ: – Băng rộng, ISI • CDMA, DS-CDMA – Mã: Channelizaon, Scrambling – Tốc độ Chip: 3.84Mcps Home 24
25. 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
26. Băng thông UMTS-WCDMA Home 26
27. Dải tần được cấp phát cho UMTS- WCDMA Home 27
28. Cơ bản về WCDMA – Từ mã • Mã trải phổ – Họ mã: Spreading (or Channelizaon) 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
29. 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 cao hơn Home Tốc độ dữ liệu thấp hơn 29
30. Mã trải phổ - Trải phổ Dùng Home 30
31. 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/T b 1/T + 1/T Nguồn phát c b iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông giải Đầu thu 31
32. Direct Sequence Spread Spectrum v(t)c(t) TínTín hiệu trải Tín hiệuTín bảnhiệu n bản phổhiệu v(t)c(t) Tín hiệu trải v(t) n v(t) phát X phổ TínĐiều hiệu chế phát Chuỗi chip Sóng mang MãChuỗi C(t) chip Mã C(t) Bộ phát vô tuyến Bộ phát Bộ tương quan Bộ thu Home 32
33. Tạo ra n hiệu trải phổ DS C(t) " +1 c(t) = # cn p(t ! nTc ) n=!" -1 Tín hiệu PN v(t) +1 " v t a g t nT ( ) = # n T ( ! b ) -1 n=!" Tb Tín hiệu dữ liệu V(t)C(t) +1 -1 Home 33 Tín hiệu ch
34. Hiệu ứng của nén phổ trên nhiễu băng hẹp Tín hiệu trải phổ v(t)c(t), sau đó v(t) được điều biên và phát ra ngoài Tín hiệu bản n u(t) = Acv(t)c(t)cos2! fct " $ = Ac cos#2! fct + !(t)% 1/Tb 1/T + 1/T Nguồn phát c b iii) Nhiễu thêm vào iV) Tín hiệu được co phổ V) Dùng bộ lọc thông dải A2 P = I P R P I 2 I = I W Tb Tc r(t) = A v t c t cos2! f t +i t c ( ) ( ) c ( ) r(t)c(t) = Acv(t)cos2! fct +i(t)c(t) i(t) = AI cos2! fI t 34
35. 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
36. 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
37. Mã trộn Mỗi tế bào được ấn định 1 Mỗi user được ấn định 1 trong 512 PSC Home trong 224 mã trộn 37
38. Ví dụ về cấp phát OVSF và mã trộn UL và DL Home 38
39. Dung lượng liên kết với các công nghệ khác nhau • Dung lượng liên kết của hệ thống hiện tại đang ến nhanh về giới hạn Shannon • Hiệu suất sử dụng liên kết của 3G và 4G ến đến đường biên của Shannon Home 39
40. Ghép kênh theo mã (CDMA) • Mỗi kênh có 1 code duy nhất • Ví dụ: UMTS • Tất cả các kênh sử dụng dùng chung • phổLợi ích cùng: lúc • 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