CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG W-CDMA 1.1 Những yêu cầu của hệ thống Những yêu cầu đối với hệ viễn thông di động toàn cầu - 2000 (IMT-2000) gồm có tính linh hoạt của hệ thống, tính tiết kiệm và những điều kiện về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền dữ liệu tối thiểu là 2 Mbit/s ở môi trường trong phòng, 384 kbit/s ở chế độ người bộ hành và 144 kbit/s ở chế độ dịch chuyển bằng phương tiện. Đối với hệ thống vô tuyến, đa truy cập phân chia theo mã phổ dải rộng (W-CDMA) được xem như là giao diện vô tuyến có thể đáp ứng tốt hơn những yêu cầu đặt ra và góp một phần vào sự tiêu chuẩn hoá và sự phát triển của hệ thống. Hơn bất cứ điều gì khác, IMT-2000 được chú ý đến bởi tính toàn cầu của nó những nỗ lực lớn đã được thực hiện để điều hoà các hệ thống cạnh tranh nhau được trong quá trình tiêu chuẩn hoá bởi vì vấn đề quan trọng ở đây là phải xây dựng giao diện vô tuyến chung trên quy mô toàn cầu để sử dụng phần cứng đầu cuối.
W-CDMA được khẳng định là một trong những giao diện của liên hiệp viễn thông quốc tế và được xem là “IMT-2000 trải phổ trực tiếp bằng công nghệ CDMA”. Trên thực tế, người ta mong rằng công nghệ này sẽ được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ, Châu Âu, Châu Á. Một trong những mục đích chính về dịch vụ là cung cấp phương tiện truyền thông hoàn chỉnh cho thế giới viễn thông di động. Khả năng truyền tốc độ cao sẽ thúc đẩy mục đích trên thành hiện thực.
Thuộc IMT-2000, giao diện vô tuyến và hệ thống vô tuyến phải có khả năng thích ứng với những mức tốc độ dữ liệu biến đổi, đồng thời phải cung cấp đa dịch vụ và thực hiện dịch vụ chuyển mạch gói (PS) và dịch vụ chuyển mạch kênh (CS). W-CDMA là một phương thức hiệu quả để đáp ứng được những yêu cầu trên. Bỏ qua việc thay đổi các thế hệ, việc sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số vẫn là một vấn đề của viễn thông di động mang tính toàn cầu. Một điều rất quan trọng là phải thảo luận vấn đề này trong IMT-2000 đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao ngày càng tăng.
Dải tần số được sử dụng trong IMT-2000 là dải 2 GHz. Bởi vì tần số này cao hơn so với thế hệ thứ 2 (2G) có các hệ thống dạng tổ ong dải băng 800MHz thì trên lý thuyết sẽ khó xây dựng các cell có bán kính lớn do hao tổn đường truyền. Hơn nữa, những yêu cầu thiết kế kết nối sẽ khắt khe hơn bởi vì nó sẽ yêu cầu một lượng thông tin nhiều hơn để truyền trong khi cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao nhằm làm tăng công suất truyền tải được yêu cầu. Do đó trong giai đoạn xây dựng, nó trở thành một mục đích quan trọng để thiết lập một hệ thống tiết kiệm có thể đảm bảo 3 vùng phủ sóng tương tự như các trạm thu phát gốc (BS) của hệ thống 800MHz hiện có bằng cách áp dụng nhiều loại công nghệ.
Người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu đối với IMT-2000 với mục đích nhằm có được dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, tốc độ cao có thể khai thác được nhiều nội dung khác nhau bao gồm âm thanh, dữ liệu và hình ảnh trong môi trường di động. Hệ thống IMT-2000 ra đời nhằm đạt được những mục tiêu sau: (1) Dịch vụ truyền thông cá nhân thông qua hiệu suất quang phổ cải tiến (cá nhân hoá) Những cải tiến trong hiệu suất của việc sử dụng tần số và trong việc thu nhỏ kích thước của thiết bị đầu cuối cho phép giao tiếp giữa “ người với máy “ và “máy với máy” (2) Dịch vụ truyền thông mang tính toàn cầu Người dùng có thể giao tiếp và hưởng các dịch vụ như nhau ở bất kì đâu trên thế giới chỉ với một thiết bị đầu cuối. (3) Dịch vụ đa phương tiện thông qua truyền dẫn chất lượng cao, tốc độ cao (Đa phương tiện) Việc sử dụng dải thông dạng rộng cho phép truyền dẫn khối lượng dữ liệu lớn ở dạng ảnh động, hình ảnh có kèm theo âm thanh nhưng vẫn đạt được chất lượng và tốc độ cao.2 Đặc tính W-CDMA và thông số của hệ thống 1.1 Đặc tính của W-CDMA W-CDMA có những đặc tính kỹ thuật sau đây: • Sử dụng tần số hiệu quả cao: Theo nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống sử dụng công nghệ TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian) và FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số) là như nhau. Trong khi đó đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) thường được coi là có khả năng sử dụng tần số hiệu quả cao.
Ví dụ: CDMA có thể đạt đến một mức hiệu suất nhất định thông qua thiết bị điều khiển công suất truyền chính sác, trong khi đó TDMA phải dựa vào sự phân bố kênh động cực kỳ phức tạp mới có thể đạt được mức hiệu suất như CDMA. Sử dụng những công nghệ cơ bản trong hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại khả năng sử dụng tần số hiệu quả cao cho hệ thống. • Việc quản lý tần số sẽ dễ dàng hơn. Bởi vì CDMA cho phép những cell gần kề nhau cùng có mức tần số như nhau nên nó không yêu cầu bất cứ kế hoạch phân định tần số nào.
Trái ngược lại FDMA 4 và TDMA lại đòi hỏi phải có sự phân định tần số, đặc biệt là sự phân định này nảy sinh nhiều khó khăn bởi trên thực tế cần phải xem xét những đặc điểm địa hình và cấu trúc truyền dẫn bất quy tắc khi định vị các trạm thu phát. Hơn nữa, cần phải lưu ý thêm một điều là thiết kế định vị tần số không chính xác sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Trong khi đó CDMA không yêu cầu bất kỳ một kế hoạch phân định tần số nào như thế. • Công suất truyền của trạm gốc nhỏ CDMA có thể tăng cường khả năng thu và giảm công suất truyền của các trạm phát di động (MS S) bằng cách sử dụng những công nghệ như là bộ thu RAKE, ….
Trong TDMA, sự truyền dẫn là không liên tục, công suất đỉnh cần để truyền 1bit bằng bội số của số đa hợp TDMA so với truyền dẫn liên tục. Ngược lại, công suất đỉnh của CDMA là khá nhỏ do đó có thể thực hiện được truyền dẫn liên tục. Một tính chất nữa của CDMA là nó có thể tối thiểu hoá tác động của trường điện từ. • Sử dụng nguồn tài nguyên độc lập giữa kênh hướng lên và hướng xuống.
Trong CDMA, rất dễ dàng hỗ trợ một cấu hình kênh hướng lên và kênh hướng xuống không đối xứng. Ví dụ, trong những hệ thống truy cập khác như là TDMA, rất khó chỉ định cho người sử dụng độc lập những khe thời gian kênh hướng lên trên hoặc hướng xuống. Trong FDMA, việc xây dựng một cấu hình kênh hướng lên và hướng xuống không đối xứng là rất khó bởi vì dải sóng mang trong kênh hướng lên và hướng xuống bị thay đổi. Trái ngược lại, trong CDMA hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập một cách độc lập cho mỗi người sử dụng giữa kênh hướng lên và hướng xuống, do đó dễ dàng thiết lập tốc độ khác nhau giữa kênh hướng lên và hướng xuống.
Điều này cho phép việc sử dụng các tài nguyên vô tuyến đạt hiệu quả, dù là với truyền không đối xứng, như là truy cập Internet. Nếu một người chỉ đang tiến hành thực hiện truyền dẫn trên kênh hướng lên và người sử dụng khác lại chỉ truyền trên kênh hướng xuống trong khi chưa có tài nguyên vô tuyến hay truyền dẫn nào được sử dụng thì tài nguyên vô tuyến đang được sử dụng tương đương với tài nguyên vô tuyến của cặp kênh hướng lên và hướng xuống. Nhìn chung, TDMA và FDMA sẽ phải gán 2 cặp tài nguyên vô tuyến trong những trường hợp như trên. Những đặc tính băng rộng của W-CDMA đem lại hiệu quả cao hơn trong những lĩnh vực sau: • Tốc độ của dữ liệu dải rộng.
Dải băng rộng có khả năng truyền dẫn ở tốc độ cao. Nó cũng có thể cung cấp hiệu quả những dịch vụ khi những dịch vụ tốc độ thấp và những dịch vụ tốc độ cao kết hợp với nhau. 5 Ví dụ, trong TDMA tốc độ truyền đa dạng có thể được thực hiện nhờ việc biến đổi cách sắp xếp những số đã định sẵn trên các khe thời gian nhưng điện thoại di động chỉ nói và tốc độ thấp vẫn cần công suất đỉnh như của những thiết bị yêu cầu tốc độ tối đa. • Tăng cường giải pháp đa đường.
Công nghệ thu đa dạng của RAKE tăng cường khả năng thu thông qua việc tách biệt nhiều đường thành những đường riêng biệt dùng để thu và tổ hợp lại.Bởi vì dải băng rộng tăng cường độ phân giải của đường truyền dẫn nên công suất thu theo yêu cầu không cần cao do hiệu ứng đa dạng đường truyền đem lại cùng với lượng đường truyền tăng lên. Điều này làm giảm công suất truyền và tăng dung lượng. Một ví dụ đặc trưng cho điều này được chứng minh thông qua một kiểm tra từ trường cho thấy công suất truyền ở mức xấp xỉ 4Mcps là 3dB, ít hơn mức 1Mcps. • Hiệu ứng ghép kênh thống kê.
Dải băng rộng làm tăng lượng người sử dụng được ghép kênh ở mỗi mức sóng mang. Do vậy, dung lượng sẽ tăng lên nhờ hiệu ứng ghép kênh thống kê.1 minh hoạ những đặc tính của hiệu ứng ghép kênh thống kê. Các số liệu cho thấy 30% vi sai khi số người sử dụng trên mỗi mức sóng mang là 25/100 người. Những đặc tính thể hiện rõ trong quá trình truyền dữ liệu tốc độ cao, hiệu suất ở dải băng hẹp giảm vì số lượng kênh do mỗi sóng mang cung cấp là có hạn, trong khi ở dải băng rộng, hiệu suất tăng nhờ hiệu ứng ghép kênh thống kê.
2,5 Hoạt động nói=0,4 Hiệu ứng ghép kênh thống kê 1% 2,0 Lượng thiếu=0,1% 1,5 1 0 50 100 150 200 Dung lượng Hình 1.1 Hiệu ứng ghép kênh thống kê • Giảm tốc độ nhận giới hạn. Dải băng rộng thúc đẩy tốc độ truyền theo bit trong kênh điều khiển và có thể làm giảm tốc độ thu không liên tục làm cho máy điện thoại di động nhận tín hiệu 6 giới hạn khi nó trong chế độ rỗi để tiết kiệm năng lượng. Việc này kéo dài thời gian dự trữ cho MS (trạm di động).2 Các thông số cơ bản của W-CDMA Bảng 1.1 trình bày những thông số cơ bản của W-CDMA.