nghiên cứu các công nghệ trong truy cập đường lên tốc độ cao hsupa

HSUPA là công nghệ phát triển sauHSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tương tác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏitốc độ và độ tin cậy cao.Để tìm hiểu rõ hơn về HSUPA em đã chọn đề tài “Nghi

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động phát triển rất nhanh, theo hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU)

số thuê bao điện hoại di động toàn cầu hiện đạt mức 4,6 tỷ thuê bao và dùng rộngrãi thế hệ thứ ba (3G), có thể cung cấp đa dạng dịch vụ với tốc độ cao, chất lượngcao, và đang hướng đến 4G

Các mạng 3G đã triển khai nhiều nước trên thế giới, ngay cả trước khi chúngđược khai thác, các hoạt động nâng cấp chúng đã được quan tâm – đề án công tácthế hệ ba (3GPP – The Third Generation Partnership Project) Khoảng 10 nămtrước, số thuê bao di động 3G trên toàn thế giới khoảng trên 300 triệu, nhưng đếnnăm 2007 đã lên tới 3,1 tỷ và hiện nay là 4,6 tỷ (nghĩa là hơn một nửa số dân trênthế giới) Theo thống kê, hiện trên thế giới có khoảng hơn 300 mạng UMTS, trong

đó có hơn 35 mạng HSPA đang hoạt động, với hơn 200 triệu khách hàng Nói cáchkhác, gần 40% thuê bao 3G trên thế giới hiện đang được sử dụng công nghệ truyềntải dữ liệu tốc độ cao HSPA, ngoài ra đến 2011 LTE – giai đoạn đầu của 4G cũng

sẽ được triển khai

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speech DownlinkPacket Access) là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp tốc độlên tới 10 Mbps trên đường xuống HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP –3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều biến QPSK trong3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợpghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng AMC(Adaptive Modulation and Coding – mã hóa kênh và điều biến thích nghi) Đểđảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu

Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA(High Speech Uplink Packet Access – truy nhập gói đường lên tốc độ cao) là côngnghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ 3,5G Đây làcông nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ đường lên: từ 1,4Mbps đến 5,76Mbps Ngược lạivới HSDPA, HSUPA sử dụng kênh truyền nâng cao tốc độ đường lên E-DCH(Enhanced Dedicated Channel) theo các kỹ thuật tương tự HSDPA Mục tiêu chủyếu của HSUPA là cải tiến tốc độ tải lên cho các thiết bị di động và giảm thời gian

trễ trong ứng dụng game, email, chat HSUPA là công nghệ phát triển sauHSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tương tác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏitốc độ và độ tin cậy cao.

Để tìm hiểu rõ hơn về HSUPA em đã chọn đề tài “Nghiên cứu các công nghệ

trong truy cập đường lên tốc độ cao HSUPA” nhằm mục đích nghiên cứu cấu

trúc các kênh số liệu và báo hiệu được sử dụng cho HSUPA

MỤC LỤC

Lời nói đầu……… 1

Bảng thuật ngữ viết tắt 4

Danh mục hình vẽ 8

Chương I: Lộ trình phát triển thông tin di động từ 3G lên 4G ……… 9

1.1 Kiến trúc chung của mạng thông tin di động3G ……… 9

1.2 Các hạn chế của 3G……… 10

1.3 Lộ trinh phát triển thông tin di động từ 3G lên 4G……… 10

Chương II: Truy nhập gói đường lên tốc độ cao ………. 12

2.1 Khác biệt giữa HSDPA và HSUPA……… 12

2.2 Lập biểu chow HSUPA……… 12

2.3 HARQ với kết hợp mềm trong HSUPA……… 14

2.4 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH)……… 16

2.5 Kênh riêng tăng cường E-DCH trong HSUPA……… 18

2.5.1 E-DCH và các kênh báo hiệu……… 18

2.5.2 Điều khiển công suất trong E-DCH……… 23

2.5.3 Điều khiển tài nguyên cho E-DCH……… 24

2.6 Khoảng thời gian truyền TTI……… 25

2.7 Thủ tục hoạt động lớp vật lí……… 26

2.7.1 Thủ tục hoạt động lớp vật lý cho giao thức HARQ……… 26

2.7.2 Thủ tục lớp vật lý cho HARQ và chuyển giao mềm……… 27

Tài liệu tham khảo 30

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Đề án các đối tác thế hệ thứ

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự độngAWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộngBPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng

tháiBTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốcCDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo

mã

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel Kênh điều khiển vật lý riêngDPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data

Channel Kênh số liệu vật lý riêngDTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng riêngDTX Discontinuons Transmission Phát không liên tục

E – DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cườngFACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia

theo thời gianFDMA Frequency Division Multiplex

Access

Đa truy nhập phân chia theo

tần sốGSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động

toàn cầuHARQ Hybrid Automatic Repeat

DPCCH Physical Control Channel tốc độ cao

HS – DSCH High – Speed Dedicated

Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ caoHSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống

tốc độ caoHSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

MIMO Multi – Input Multi – Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo

tần số trực giaoPDCCH Physical Dedicated Control

Channel Kênh điều khiển riêng vật lýPDCP Packet – Data Convergence

Protocol Giao thức hội tụ số liệu góiPDSCH Physical Downlink Shared

Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

vật lý

Giao thức đơn vị số liệu

Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyếnRLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyếnRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyếnRRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

Protocol IP

Giao thức điều khiển truyền

dẫn IPTDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia

theo thời gianTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

Đa truy nhập phân chia theo

mã đồng bộ - phân chia theo

thời gianTTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động

toàn cầuUTRA UMTS Terrestrial Radio

Access

Truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTSUTRAN UMTS Terrestrial Radio

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

đất UMTSWCDMA Wideband Code Division

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hớp cả

CS và PSHình 1.2 Lịch trình ngiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 Lộ trình phát triển từ 3G lên 4G

Hình 2.1 Chương trình khung lập biểu của HSUPA

Hình 2.2 Các phát lại trong chuyển giao mềm

Hình 2.3 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH

Hình 2.4 Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA

Hình 2.5 Sắp xếp tách riêng xử lí E-DCH và DCH

Hình 2.6 Cấu trúc kênh HSDPA và HSUPA

Hình 2.7 Chia sẻ tài nguyên công suất giữa DCH và E-DCH

Hình 2.8 Minh họa chia sẻ tài nguyên giữa các kênh E_DCH và DCHHình 2.9 Áp dụng 2ms TTI và 10 ms TTI cho một ô

Hình 2.10 Định thời xử lí HSUPA khi TTI = 10ms

Hình 2.11 Định thời xử lí HSUPA khi TTI = 2msHình 2.12 Hoạt động HARQ trong chuyển giao mềm

Hình 1.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PSRAN: Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến

BTS: Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc

BSC: Base Station Controller: bộ điều khiển trạm gốc

RNC: Rado Network Controller: bộ điều khiển trạm gốc

CS: Circuit Switch: chuyển mạch kênh

PS: Packet Switch: chuyển mạch gói

SMS: Short Message Servive: dịch vụ nhắn tin

Server: máy chủ

PSTN: Public Switched Telephone Network: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: mang di động công cộng mặt đất

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức

năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói

(SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System): Hệ thống thôngtin di động toàn cầu) có thể sử dụng hai kiểu RAN Kiểu thứ nhất sử dụng côngnghệ đa truy nhập WCDMA (Wide Band Code Devision Multiple Acces: đa truynhập phân chia theo mã băng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS TerrestrialRadio Network: mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS) Kiểu thứ hai sửdụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSM EDGE RadioAccess Network: mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM).Tài liệu chỉ xét đề cập đến công nghệ duy nhất trong đó UMTS được gọi là 3GWCDMA UMTS

1.2 Các hạn chế của 3G

Mạng 3G tạo ra bước tiến triển lớn trong sự phát triển của hệ thống thông tin

di động cá nhân.Thực tế 3G có khả năng hỗ trợ hàng loạt các dịch vụ internet di động với chất lượng dịch vụ cải thiện đáng kể.Giao diện vô tuyến WCDMA được thiết kế để hỗ trợ vùng cải thiện với dung lượng cao cải thiện đáng kể hiệu suất ở chế độ truyền dẫn mạch gói.Tuy nhiên 3G có những hạn chế:

Việc đạt được tốc độ truyền số liệu cao là rất khó đối với công nghệ CDMA do can nhiễu giữa các dịch vụ

Khó có thể tạo ra một dải đầy đủ các dịch vụ đa tốc độ với yêu cầu về hiệunăng và QOS khác nhau do những hạn chế đối với mạng lõi gây ra bởi tiêu chuẩngiao diện vô tuyến

Ngoài ra,dải tần dành cho hệ thống 3G sẽ sớm bị bão hòa và có những ràngbuộc khi kết hợp chế độ song công phân chia theo tần số và thời gian

1.3 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G được cho trên hình1.3 và lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP được cho trên hình 1.2

Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.3 Lộ trình phát triển từ 3G lên 4GAMPS: Advanced Mobile Phone System

TACS: Total Access Communication System

GSM: Global System for Mobile Telecommucations

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access

EVDO: Evolution Data Only

IMT: International Mobile Telecommnications

IEEE: Institute of Electrical and Electtronics EngineersWiFi: Wireless Fidelitity

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave AccessLTE: Long Term Evolution

UMB: Untra Mobile Broadband

Page

CHƯƠNG II TRUY NHẬP GÓI ĐƯỜNG LÊN TỐC ĐỘ CAO (HSUPA)

2.1 Một số điểm khác biệt chủ yếu giữa HSUPA và HSDPA :

HSUPA tuy dùng công nghệ giống HSDPA nhưng cũng có một số khác biệtcăn bản so với HSDPA, mà các khác biệt này ảnh hưởng đến việc thực hiện tínhnăng :

Bảng 2.1 Bảng so sánh HSDPA và HSUPA

Trên đường xuống thì các tài nguyên

chia sẻ (công suất, mã) đều được đặt

tại một nút trung tâm (nút B)

Với HSUPA, tài nguyên chia sẻ là đạilượng nhiễu đường lên cho phép

Bộ lập biểu và các bộ đệm phải được

đặt trong cùng một nút

Bộ lập biểu được đặt trên nút B, còn bộđệm được phân tán trong các UE

Các kênh được phát trực giao Các kênh đường lên không trực giao

nên xảy ra nhiễu giữa các đường truyềndẫn trong cùng một ô

Điều biến bậc cao hơn Điều biến bậc thấp hơn

Sử dụng HARQ không đồng bộ thích

ứng

HARQ đồng bộ không thích ứng được

sử dụngHSDPA chỉ có một điểm kết cuối giao

thức HARQ- UE

Trong HSUPA, UE thu ACK/NAK từcác tất cả các nút B tham gia vàochuyển giao mềm

HSDPA sử dụng chỉ thị số liệu mới

một bit

Một số trình tự phát lại hai bit (RSN :Retransmission Sequence Number)được sử dụng cho HSUPA

2.2 Lập biểu cho HSUPA :

 Chức năng:

Đối với HSUPA, bộ lập biểu là phần tử quyết định để điều khiển việc khi nào

và tại tốc độ số liệu nào một UE được phép phát và phải đảm bảo tăng tạp âmtrong giới hạn cho phép, Rõ ràng tốc độ đầu cuối càng cao thì công suất thu đượctại nút B cũng càng cao để đảm bảo tỷ số Eb/N0 cần thiết cho giải điều biến Tuynhiên do đường lên không trực giao, nên công suất thu từ UE sẽ gây nhiễu đối với

các đầu cuối khác Vì thế tài nguyên chia sẻ đối với HSUPA là đại lượng công suấtnhiễu cho phép trong ô Nếu nhiễu quá cao một số truyền dẫn trong ô, các kênhđiều khiển và các truyền dẫn đường lên không được lập biểu có thể bị thu sai.Nhưng nếu mức nhiễu quá thấp cho thấy rằng các UE đã bị điều chỉnh thái quákhông khai thác hết dung lượng hệ thống Vì thế HSUPA sử dụng bộ lập biểu đểcho phép người sử dụng có số liệu cần phát được phép sử dụng tốc độ số liệu caotới mức có thể mà không vượt mức cho phép trong ô

Không như HSDPA, bộ lập biểu và các bộ đệm phát đều được đặt tại nút B,trong HSUPA bộ lập biểu vẫn đặt trong nút B để điều khiển hoạt động phát của

UE, nhưng thông tin trạng thái bộ đệm lại phân tán trong các nút UE Vì thế cầnphải đặc tả báo hiệu mang thông tin trạng thái bộ đệm và công suất phát khả dụng

từ UE đến nút B

Cơ sở cho chương trình khung lập biểu là các cho phép được phát đi từ nút Bđến các UE cùng các giới hạn tốc độ số liệu E-DCH và các yêu cầu lập biểu đượcphát đi từ UE đến nút B để yêu cầu cho phép phát (tại tốc độ cao hơn tốc độ chophép) Các quyết định lập biểu được đưa ra bởi ô phục vụ, ô này chịu trách nhiệmchính cho lập biểu như chỉ ra trên hình 2.1

Hình 2.1 - Chương trình khung lập biểu của HSUPA

Nhiễu giữa các ô cũng cần được điều khiển, thậm chí nếu bộ lập biểu đã chophép UE phát tại tốc độ số liệu cao trên cơ sở mức nhiễu trong ô chấp thuận được,nhưng vẫn có thể gây nhiễu không thể chấp nhận được đối với các ô lân cận Vìthế trong chuyển giao mềm, ô phục vụ chịu trách nhiệm chính cho hoạt động lập

Page

biểu, nhưng UE giám sát thông tin lập biểu từ tất cả các ô mà UE nằm trongchuyển giao mềm Các ô không phục vụ yêu cầu tất cả các người sử dụng mà nókhông phục vụ hạ tốc độ số liệu E-DCH bằng cách phát đi chỉ thị quá tải trênđường xuống Cơ chế này đảm bảo hoạt động ổn định trong mạng.

 Phương pháp lập biểu

Lập biểu quay vòng: là một thí dụ về chiến lược lập biểu trong đó các đầu

cuối lần lượt phát trên đường lên Phương pháp này tránh được nhiễu nội ô nhưngkhông sử dụng hiệu quả công suất

Một giải pháp khác là ấn định tốc độ số liệu như nhau cho tất cả các người sửdụng có số liệu cần phát và chọn tốc độ số liệu tuân theo quy định tải trong ô cựcđại Điều này dẫn đến sự công bằng cực đại xét về tốc độ số liệu như nhau, nhưngkhông đạt được dung lượng ô cực đại Lợi ích của giải pháp này là hoạt động của

bộ lập biểu đơn giản- không cần ước tính kênh đường lên và trạng thái công suấtphát đối với từng UE

Với phương pháp “làm no kẻ thèm ăn”, đầu cuối có các điều kiện vô tuyến tốt

nhất sẽ được ấn định tốc độ số liệu cao nhất tới mức có thể

Như vậy, rõ ràng lập biểu nhanh cung cấp một chiến lược cho phép kết nốimềm dẻo hơn Vì cơ chế lập biểu cho phép xử lý tình trạng trong đó nhiều người

sử dụng cần phát đồng thời, nên số người sử dụng số liệu gói tốc độ cao mang tínhcụm được cho phép lớn hơn Nếu điều này gây ra mức nhiễu cao không chấp nhậnđược trong hệ thống, thì bộ lập biểu có thể phản ứng nhanh để hạn chế các tốc độ

số liệu mà các UE có thể sử dụng

2.3 HARQ với kết hợp mềm trên HSUPA :

HSUPA sử dụng HARQ với kết hợp mềm nhằm mục đích là để đảm bảo tínhbền vững chống lại các lỗi truyền dẫn ngẫu nhiên, hơn nữa còn cải thiện hiệu suấtđường truyền để tăng dung lượng và (hoặc) vùng phủ Đối với từng khối truyền tảiđược phát trên đường lên, một bit được phát từ nút B đến UE để thông báo giải mãthành công (ACK) hay yêu cầu phát lại khối truyền tải bị mắc lỗi (NAK)

Khi UE nằm trong chuyển giao mềm, nghĩa là giao thức HARQ kết cuối tạinhiều ô Vì thế trong nhiều trường hợp số liệu truyền dẫn có thể được thu thành

công tại một nút B này nhưng thất bại tại nút B khác Nếu UE nhận được ACK ítnhất từ một nút B, UE hoàn toàn khẳng định đã thu thành công

Cũng giống HSDPA, định thời ACK / NAK được sử dụng để liên kết ACK /NAK với một xử lý HARQ Sau một khoảng thời gian quy định rõ ràng sau khithu được khối truyền tải đường lên, nút B sẽ tạo ra ACK / NAK Khi nhận đượcNAK, UE thực hiện phát lại và nút B thực hiện kết hợp mềm với phần dư tăng.Đối với HSUPA khai thác HARQ đồng bộ không thích ứng được sử dụng.Nhờ có hoạt động đồng bộ, các phát lại xảy ra tại một thời điểm định trước sauphát lần đầu, nghĩa là chúng không được lập biểu rõ ràng Vì thế không cần lậpbiểu rõ ràng cho các phát lại và cũng không cần báo hiệu về phiên bản dư mà UE

sẽ sử dụng Đây chính là lợi điểm chính của khai thác HARQ đồng bộ - giảm thiểuchi phí báo hiệu Tất nhiên, khả năng thích ứng khuôn dạng truyền dẫn của cácphát lại đối với mọi thay đổi điều kiện kênh sẽ bị mất, nhưng vì bộ lập biểu đườnglên tại nút B có ít thông tin về trạng thái máy phát (thông tin này nằm tại UE vàchỉ được cung cấp cho nút B thông qua báo hiệu trong băng sau khi số liệu thu đãđược HARQ giải mã thành công) so với bộ lập biểu đường xuống.Vì thế tổn thấtnày ít hơn độ lợi nhận được từ việc giảm chi phí cho báo hiệu điều khiển đườnglên

Tình trạng truyền không theo thứ tự cũng xảy ra đối với đường lên, vì thếtrong trường hợp này cũng cần có cơ chế sắp đặt lại thứ tự, cơ chế sắp đặt lại thứ

tự trong HSUPA cần có thể truy nhập đến các khối truyền tải được truyền đi từ tất

cả các nút B đến RNC và vì thế nó phải đặt tại RNC

Đối với HSUPA, chỉ thị số liệu mới một bít cũng có thể hoạt động khi cóchuyển giao mềm Chỉ thị cả NAK và báo hiệu điều khiển đường lên đều bị hiểusai thì bộ đệm mềm trong nút B mới bị sửa đổi sai Tuy nhiên khi có chuyển giaomềm, phương pháp đơn giản này là chưa đủ Thay vào đó, một số trình tự phát lạihai bit (RSN : Retransmission Sequence Number) được sử dụng cho HSUPA.Truyền dẫn lần đầu RSN vào 0 và sau mỗi lần phát lại RSN tăng thêm 1 Ngay cảkhi RSN chỉ nhận giá trị trong dải từ 0-3, vẫn có thể đáp ứng cho mọi lần phát lại,chỉ cần duy trì RSN bằng 3 cho lần phát lại thứ ba và sau đó Cùng với khai thácgiao thức đồng bộ, nút B biết được khi nào xảy ra phát lại nhờ RSN Hình 2.2 cho

Page