Bài Tập Lớn Hệ Thống Thông Tin Vô Tuyến Hspa( Hsdpa,Hsupa).Pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN ************** BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN HSPA( HSDPA,HSUPA) Giảng viên Đàm Mỹ Hạnh Sinh viên thực hiện Lê[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT THÔNG TIN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

I Giới thiệu 4

1 High Speed Packet Access (HSPA) 4

2 High Speed Downlink Packet Access (HSPDA) 5

3 High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) 7

II Cấu trúc 8

1 Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến 8

2 Kiến trúc giao thức hệ thống HSPA 9

3 Kiến trúc giao thức hệ thống HSDPA 10

4 Kiến trúc giao thức hệ thống HSUPA 12

5 Kiến trúc giao thức người dùng HSDPA và HSUPA 22

6 Tác động của HSDPA và HSUPA đến các giao tiếp mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network) .25

7 Những trạng thái giao thức HSDPA và HSUPA 26

III Kỹ thuật 28

1 So sánh giữa HSDPA và HSUPA 28

2 Ưu điểm, nhược điểm của HSDPA và HSUPA 28

LỜI NÓI ĐẦU

Với xu thế truyền thông mọi lúc mọi nơi, hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay

đã đáp ứng được yêu cầu này và ngày càng được người sử dụng quan tâm Sự pháttriển của truyền thông di dộng đã trải qua 4 thế hệ Hiện tại, chúng ta đang sắp bướcvào thế hệ thứ 5 (5G) Tổng quát mà nói, những hệ thống của thế hệ thứ nhất (1G)định hướng cho các thế hệ sau và nhìn chung những hệ thống này được xếp vào loạinhững mạng quốc gia dựa trên nền tảng công nghệ tương tự Vào những năm 1980,những mạng kiểu đó đã được chuyển thành loại hình dịch vụ và được thiết kế để cungcấp cho các thuê bao di động

Mạng thông tin di động 1G là thế hệ đầu tiên của mạng di động viễn thông.Cũng giống như công nghệ vô tuyến di động trước đó, mạng 1G chỉ phục vụ khả nănggọi trên điện thoại di động Mạng 1G được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm đầuthập niên 80, sử dụng công nghệ truyền nhận thông tin thông qua tín hiệu analog

2G (còn viết là 2-G) là tên viết tắt của công nghệ mạng di động viễn thông (hay

có thể gọi là công nghệ mạng không dây tế bào - wireless cellular technology) thế hệthứ hai Mạng 2G được triển khai thương mại dựa trên chuẩn tiêu chuẩn GSM ở PhầnLan bởi nhà mạng Radiolinja (hiện là một phần của công ty viễn thông Elisa Oyj) vàonăm 1991

Ba tính năng vượt trội của mạng 2G so với 2 công nghệ tiền nhiệm là 0G và 1G là:

1 Gọi thoại với tín hiệu được mã hóa dưới dạng tín hiệu kĩ thuật số (digitalencrypted)

2 Sử dụng hiệu quả hơn phổ tần số vô tuyến cho phép nhiều người dùng hơn trênmỗi dải tần

3 Cung cấp dịch vụ dữ liệu cho di động, bắt đầu với tin nhắn văn bản SMS.Các công nghệ 2G cho phép các nhà mạng khác nhau cung cấp các dịch vụ nhưtin nhắn văn bản, tin nhắn hình ảnh và MMS (tin nhắn đa phương tiện) Tất cả các tinnhắn văn bản được gửi trên 2G đều được mã hóa bằng tín hiệu kĩ thuật số (digital), chophép truyền dữ liệu theo cách mà chỉ người nhận như dự định mới được nhận và đọctin nhắn

Sau khi mạng 2G được triển khai, các hệ thống mạng không dây di động trước

đó được đặt tên là 1G Trong khi tín hiệu vô tuyến trên mạng 1G là tín hiệu tương

tự (analog), tín hiệu vô tuyến trên mạng 2G là tín hiệu digital Cả hai hệ thống đều sửdụng tín hiệu digital để kết nối với phần còn lại của hệ thống di động thông qua cáctháp vô tuyến (radio tower)

Với công nghệ dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp (GPRS), mạng 2G cung cấp tốc

độ truyền tối đa theo lý thuyết là 50 kbit/s (40 kbit/s trên thực tế) Với công nghệEDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết

là 1 Mbit/s (500 kbit/s trên thực tế)

Công nghệ 2G phổ biến nhất là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thờigian (TDMA: time division multiple access), dựa trên GSM, khởi nguồn từ Châu Âunhưng được sử dụng ở hầu hết các nước trên thế giới, ngoài Bắc Mỹ Hơn 60 nhàmạng GSM cũng đã sử dụng CDMA2000 trong dải tần số 450 MHz (CDMA450) vàonăm 2010

Ở Việt Nam, sau khi 3G được phép triển khai thì công nghệ HSPA cũng đượcnhanh chóng phát triển Một sản phẩm điển hình sử dụng HSPA là các USB MODEMgiao tiếp với máy tính qua cổng usb, có khả năng kết nối internet qua sóng điện thoại,

hỗ trợ download và upload dữ liệu với tốc độ cao Nội dung chính của phần này lànhững tác động của HSDPA và HSUPA tới mạng vô tuyến và kiến trúc giao thức cũngnhư những chức năng phần tử mạng và các giao tiếp

NỘI DUNG

I Giới thiệu

1 High Speed Packet Access (HSPA)

HSPA (High Speed Packet Access) truy cập gói tốc độ cao là công nghệ đượctriển khai trên nền WCDMA HSPA đã được triển khai thành công ở một số băng tầnnhư 850, 1700, 1800, 1900, 2100 MHz HSPA hiện đang hỗ trợ tốc độ dữ liệu 14.4Mbps cho đường xuống và 1.4 Mbps cho đường lên

2 High Speed Downlink Packet Access (HSPDA)

HSDPA High Speed Downlink Packet Access (HSPDA) Công nghệ truy nhậpgói đường xuống tốc độ cao, là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng củamạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA đôi khi còn được biết đến như làmột công nghệ thuộc hệ thế 3.5G Hiện tại, tốc độ dự liệu đường xuống của HSDPA là

1.8, 3.6, 7.2 và 14.4 Mbit/s HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệunhư: dịch vụ cơ bản như tải tệp, phân phối email; dịch vụ tương tác như trình duyệtweb, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu; và dịch vụ Streaming.

Khi công nghệ WCDMA ra đời, các phiên bản 99 và 4 tập trung nghiên cứu về

nó Trong quá trình đó người ta nảy sinh ý tưởng về việc cải tiến truy nhập gói nhằmđáp ứng yêu cầu không ngừng gia tăng về tốc độ truyền dữ liệu Tháng 3 năm 2000,dưới sự tài trợ của các công ty viễn thông, quá trình nghiên cứu HSDPA khởi độngtrong khuôn khổ của 3GPP Khi phiên bản 5 được xuất bản, ghi rõ về cơ bản các yêucầu cho HSDPA gồm:

- HSDPA-IubIur (giao tiếp Iub kết nối Node B (RBS) and RNC): mô tả UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network) và giao tiếp UTRAN Iur

- HSDPA-IurIub: giao thức Radio Access Network Application Part (RANAP) chogiao tiếp UTRAN Iu

- HSDPA-L23: các giao thức lớp 2 và lớp 3

- HSDPA-RF: các vấn đề liên quan đến thiết bị người dùng User Equipment ([UE]) vàtrạm gốc Base Station ([BS]) sừ dụng truyền song công phân chia theo thời gian TimeDivision Duplex ([TDD]) và truyền song công phân chia theo tần số FrequencyDivision Duplex ([FDD])

- HSDPA cho phép tốc độ dữ liệu ban đầu là 1.8Mbps, tăng lên 3.6Mbps rồi 7.2Mbps

và cuối cùng lên đến 14Mbps Nó được thiết kế nhằm đáp ứng các dịch vụ có tốc độđường xuống lớn và tốc độ đường lên nhỏ [3] Có thể coi HSDPA là ADSL khôngdây Do tốc độ dữ liệu như trên, ban đầu HSDPA chỉ được thiết kế cho dữ liệu tốc độcao nhưng chưa thể đáp ứng thời gian thực Các ứng dụng có thể có như: lướt Web,xem phim Các cải tiến về sau cho phép cung cấp thêm VoIP (tốc độ thấp nhưng cầnđáp ứng nhanh) Phiên bản 5 HSDPA kế thừa các kĩ thuật cho dữ liệu đường xuống tốc

độ cao của phiên bản 4 [3] Ngoài ra các kĩ thuật mới cũng được nghiên cứu như:

- Tập trung vào các dịch vụ nền tảng tương tác thông suốt

- Phân phối ưu tiên khu vực đô thị và trong nhà (indoor), nhưng không giới hạn chỉtrong các khu vực này mà hoàn toàn cho phép di chuyển

- Kết hợp với anten kĩ thuật thu tiên tiến

- Đáp ứng yêu cầu ghi nhớ và thời gian xử lý của thiết bị người dùng User Equipment(UE)

3 High Speed Uplink Packet Access (HSUPA)

HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) Công nghệ truy nhập gói đườnglên tốc độ cao, là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng cũng như giảm độtrễ trên đường truyền gói lên của mạng UMTS HSUPA sử dụng các kỹ thuật thíchứng đường truyền như khoảng thời gian truyền dẫn ngắn, cơ chế yêu cầu lặp tự độnglai nhằm cải tiến đường truyền lên và nâng tốc độ lên đến 5.76 Mbps

Các sách thường viết rằng HSUPA được giới thiệu trong phiên bản 6 của 3GPP.Tuy nhiên, trong phiên bản 6 hầu như không thấy nhắc đến HSUPA Nguyên nhân là

do HSUPA là tên gọi thông thường, khi mới ra đời trong phiên bản 6 nó được biết đếnvới tên gọi Enhanced Uplink Dedicated Channel (E-DCH)

Các kĩ thuật chính được nghiên cứu cho HSUPA:

 Hybrid ARQ

 Quá trình phân chia thời gian tại Node-B

 Cải tiến các lớp trong kiến trúc phân lớp

 Fast DCH

Sau một thời gian nghiên cứu thì một số kĩ thuật trên được coi là không khả thi

và mang lại lợi nhuận nên chỉ có các kĩ thuật sau được áp dụng:

 Giảm TTI: có khả năng 2ms

 Cơ chế phân chia thời gian của Node-B: Node-B sẽ quản lý transport formatcombinations (TFCs) và UE sẽ chọn một TFC phù hợp

 HARQ: cơ chế yêu cầu truyền lại lai

Bên cạnh đó 3GPP cũng nghiên cứu ‘FDD enhanced uplink’ để áp dụng choHSUPA và được chia làm các phần sau:

 FDD Enhanced Uplink: lớp vật lý

 FDD Enhanced Uplink: giao thức lớp 2 và lớp 3

 FDD Enhanced Uplink: giao thức cho UTRAN Iub/Iur

 FDD Enhanced Uplink: yêu cầu và kiểm tra chất lượng hệ thống, thu phát sóng

vô tuyến

Kĩ thuật TDD thì được nghiên cứu và áp dụng sau đó trong phiên bản 7

 FDD Enhanced Uplink: lớp vật lý gồm các nghiên cứu về các vấn đề sau:

o Liên kết giữa kênh truyền và kênh vật lý

o Mã hóa kênh và ghép kênh

1 Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management)với HSDPA và HSUPA đã có nhiều sự thay đổi so với phiên bản R99 Trong phiênbản R99, điều khiển lập lịch biểu hoàn toàn dựa trên bộ điều khiển mạng vô tuyến(RNC: Radio Network Controller) khi trong trạm gốc (BTS hoặc trong thuật

ngữ 3GPP là Node B) phần lớn đã có một chức năng liên quan đến điều khiển côngsuất SNRC (Serving RNC) là bộ phận được kết nối tới mạng lõi sẽ điều khiển lập lịchbiểu cho kênh riêng (DCH: Dedicated Channel) và bộ phận đang được kết nối tới trạmBTS sẽ điều khiển kênh chung (FACH: Forward Access Channel).

Vì chức năng lập lịch biểu được chuyển tới BTS nên có một sự thay đổi trongtoàn bộ kiến trúc RRM SNRC vẫn sẽ điều khiển vùng chuyển giao và sẽ là nơi quyếtđịnh thông số chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) phù hợp Đốivới HSDPA các trạng thái được đơn giản hóa vì không có chuyển giao mềm cho dữliệu HSDPA, không cần chạy dữ liệu người dùng trên nhiều giao tiếp Iur và Iub

2 Kiến trúc giao thức hệ thống HSPA

Các tính năng của công nghệ HSPA như sau:

 Sử dụng điều chế bậc cao hơn: 16QAM được sử dụng trong đường xuống thay vìQPSK để cho phép dữ liệu được truyền với tốc độ cao hơn Điều này cung cấp tốc độ

dữ liệu tối đa là 14 Mbps trong đường xuống QPSK vẫn được sử dụng trong đườnglên, nơi đạt được tốc độ dữ liệu lên đến 5,74 Mbps

 Khoảng thời gian truyền ngắn hơn (TTI): Việc sử dụng TTI ngắn hơn giúp giảm thờigian khứ hồi và cho phép cải thiện khả năng thích ứng với các biến thể kênh nhanh vàgiảm độ trễ

 Sử dụng truyền kênh chia sẻ: Chia sẻ tài nguyên cho phép đạt được mức hiệu quả caohơn và tích hợp với các khái niệm dữ liệu gói và IP

 Sử dụng điều chỉnh liên kết: Bằng cách điều chỉnh liên kết, có thể tối đa hóa việc sửdụng kênh.

3 Kiến trúc giao thức hệ thống HSDPA

HSDPA sử dụng cả FDD và TDD nghĩa là có thể có nhiều kênh tần số và nhiềukhe thời gian để truyền dữ liệu Kĩ thuật DSCH trong phiên bản 99 được phát triểnthành High Speed-Downlink Shared CHannel (HS-DSCH) HS-DSCH kết hợp vớiDPCH là thủ tục chính được sử dụng trong HSDPA Đối với chiều xuống, có kênhtruyền dữ liệu mới đó là (HS-PDSCH) và kênh điều khiển (HS-SCCH) Đối với đườnglên, kênh truyền mới là HS-DPCCH theo chuẩn DPCCH Một đặc điểm chính củaHSDPA là tính thích nghi của đường truyền: cơ chế truyền thay đổi theo từngTransmission Time Interval (TTI) thích nghi với điều kiện đường truyền

Cơ chế hybrid ARQ thuộc lớp 2 tức lớp Medium Access Control (MAC)

 Tại RNC có 2 giao thức: có hoặc không có thêm lớp MAC-c/sh

 Tại Node-B có thêm giao thức MAC-hs

Với đường xuống, chỉ thị HS-DSCH, HS-DSCH Indicator (HI) được DPCHmang theo trỏ vào kênh mà UE cần giải mã Trong quá trình UE giải mã HS-DSCHTTI, UE sẽ được kênh HS-SCCH cấp cho mã sử dụng trong HS-DSCH TTI và cácthông tin kèm theo Với đường lên,tín hiệu bao gồm ACK cho Hybrid ARQ và thôngtin về điều kiện kênh truyền Cơ chế HS-DPCCH được sử dụng cũng giống nhưDPCH HS-DSCH có nhiều loại tùy thuộc vào dung lượng của UE

Quá trình mã hóa và điều chế trong HSDPA thích nghi theo đường truyền Khi

UE gửi các đo đạc về đường truyền xuống trong luồng dữ liệu lên, Node-B tính toán

và quyết định chọn phương thức mã hóa và điều chế nào phù hợp cho TTI Nếu đườngtruyền xấu thì vẫn sử dụng Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) như trong phiênbản 99 để đảm bảo chất lượng Nếu đường truyền tốt thì có thể tăng số mức điều chếlên, ví dụ: 16 Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM), nhằm tăng tốc độ Đây làphần cải tiến trong phiên bản 5 Theo phiên bản 99, mọi quá trình đều do RNC điềukhiển Tuy nhiên như vậy sẽ làm tăng thời gian đáp ứng và giảm hiệu quả khi tính toánđối với kênh truyền thay đổi Chính vì vậy trong phiên bản 5, các quá trình tính toánthời gian đã chuyển xuống cho Node-B đảm nhiệm

ARQ là cơ chế phát hiện lỗi như sau: bên phát gửi một gói tin và chờ bên nhậngửi xác nhận đã nhận được rồi gửi tiếp(Stop And Wait – SAW), nếu sau một khoảngthời gian không nhận được thì tự động gửi lại Cơ chế Hybrid ARQ là sự kết hợp giữaARQ và Forward Error Correction (FEC) Các gói sai được giữ lại để kết hợp với cácgói truyền lại và giải mã Có các loại: Code Combining, Incremental Redundancy (IR),Chase combining HSDPA sử dụng IR và Chase combining.

HSDPA đại diện cho một sự phát triển của giao diện vô tuyến WCDMA, sửdụng ít phương pháp so với những phương pháp của công nghệ EDGE (Tỷ lệ dữ liệunâng cao cho sự tiến hóa của GSM) cho giao diện vô tuyến GSM Các đặc điểm cơ bản cho phép tăng thông lượng và dung lượng dữ liệu với độ trễgiảm được đưa ra dưới đây:

 Ghép kênh theo thời gian và mã của người dùng

 Truyền nhiều mã

 Hệ số chênh lệch cố định (SF = 16)

 TTI ngắn hơn = 2ms

 Không có DTX (Truyền không liên tục) cho kênh dữ liệu

 Không kiểm soát nguồn

 Không bàn giao mềm

HSPDA cung cấp những gì?

 Tốc độ - Thông lượng xuống nhanh hơn Nó cũng hỗ trợ các dịch vụ yêu cầu tốc

độ dữ liệu cao tức thời trong đường xuống, ví dụ: duyệt Internet

 Công suất - Nó có công suất hệ thống được cải thiện gấp 3-4 lần với chi phí

tương đối thấp

 Giảm độ trễ - Giảm độ trễ, với HSDPA thời gian khứ hồi có thể giảm xuống

dưới 100 ms

 Mạng lưới bao phủ - Thời gian ngắn để tiếp thị với các trang hiện có, không cần

trang mới Chất lượng người dùng cuối được nâng cao

 Cũng đúng là trải nghiệm sử dụng HSDPA rất giống với trải nghiệm sử dụng dịch

vụ ADSL đường dây cố định

 Nó đặc biệt thích hợp cho lưu lượng truy cập không đối xứng đường lên và đườngxuống và lưu lượng dữ liệu liên tục

 Lên lịch nhanh

 Kênh chia sẻ và truyền đa cực

Các bước hoạt động của HSDPA là:

1 UE báo cáo CQI qua HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý chuyên dụng tốc độcao)

2 Nút B xác định UE nào sẽ được phục vụ bằng HS-SCCH (Kênh điều khiển tínhiệu tốc độ cao)

3 Node B thông báo cho UE được phục vụ bằng HS-SCCH (Kênh điều khiển tínhiệu tốc độ cao)

4 Dữ liệu được phân phối qua HS-DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao)

5 UE xác nhận thông qua HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý chuyên dụng tốc độcao)

4 Kiến trúc giao thức hệ thống HSUPA

 UE: Thực thể MAC mới MAC-es / MAC-e được giới thiệu trong MAC-d, phụtrách truyền lại nhanh HARQ, lập lịch, ghép kênh dữ liệu và lựa chọn E-TFC (E-DCHTFC)

 Nút B: MAC-e thực thể MAC mới được giới thiệu, chịu trách nhiệm truyền lạiHARQ, lập lịch và khử ghép kênh MAC-e

 SRNC: MAC-es thực thể MAC mới được thêm vào để cung cấp sự kết hợpphân tập macro và sắp xếp lại trong trường hợp chuyển giao mềm

 Trong UE, các kênh dữ liệu vật lý dành riêng (E-DPDCH, nhiều nhất là 4 cho

mỗi UE) và một kênh điều khiển vật lý chuyên dụng (E-DPCCH) sẽ được thêmvào đường lên Các kênh vật lý chung (E-HICH, E-AGCH và E-RGCH) sẽđược thêm vào đường xuống

 E-DPDCH mang dữ liệu đường lên với SF = 2 hoặc 4, điều chế QPSK và 2ms

TTI, nó vẫn là 10 ms TTI

 E-DPCCH, E-HICH, E-AGCH và E-RGCH thực hiện HARQ và trao đổi thông

tin (bao gồm ACK / NACK, cấp đường lên và điều khiển tín hiệu liên quan đếnE-DCH)

 Tốc độ tối đa của mỗi E-DPDCH là 1,92 Mbps (2ms TTI, QPSK, SF = 2) Tốc

độ lưu lượng tối đa của mỗi UE là 5,7Mbps

Kiến trúc lớp MAC ở phía UE:

 Thực thể MAC-es / MAC-e mới được giới thiệu để điều khiển E-DCH ở phía

UE phụ trách truyền lại nhanh HARQ, lập lịch, ghép kênh dữ liệu và lựa chọn E-TFC(E-DCH TFC)

 Thực thể HARQ: điều khiển việc truyền lại MAC-e PDU Bản sao của MAC-ePDU được lưu trong bộ đệm của thực thể HARQ Bản sao MAC-e PDU sẽ được gửilại khi nhận được NACK từ thực thể HARQ ngang hàng Giao thức HARQ được cấuhình bởi MAC-Control SAP của RRC 。HARQ cung cấp E-TFC, số sê-ri truyền lại(RSN) và bù công suất được sử dụng bởi L1

 Thực thể ghép kênh và cài đặt TSN: chịu trách nhiệm ghép nhiều MAC-d PDUthành một MAC-es PDU và ghép nhiều MAC-es PDU thành một MAC-e PDU Được

xử lý theo hướng dẫn lựa chọn E-TFC Nó cũng chịu trách nhiệm thiết lập và quản lýTSN của kênh logic

 Thực thể lựa chọn E-TFC: chọn E-TFC theo chỉ dẫn lập lịch (Tài trợ tương đối

và Tài trợ tuyệt đối) của Nút B và điều khiển Ghép kênh do đó quyết định mối quan

hệ ánh xạ từ MAC-d đến E-DCH khác nhau E-TFC được cấu hình bởi MAC-ControlSAP của RRC

 Ở phía UTRAN, MAC-e nằm ở Node B, MAC-es nằm ở SRNC

 e của Node B phụ trách truyền lại HARQ, lập lịch, khử ghép kênh

MAC-e

 MAC-es của SRNC phụ trách sắp xếp lại thứ tự và kết hợp phân tập vĩ mô

 MAC-e kiểm soát quyền truy cập của E-DCH, kết nối với MAC-es, kết nối từMAC-es đến MAC-d

 Kết nối mới được xác định trong MAC-e và MAC Control SAP, cũng trongMAC-es và MAC Control SAP