nghiên cứu công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao-hsupa

MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MSISDN Mobile Station ISDN Trạm di động ISDN OSS Operational Support System Hệ thống hỗ trợ vậ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP GÓI ĐƯỜNG LÊN TỐC ĐỘ CAO-HSUPA

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

Học viên: Nguyễn Thị Thu Trà

Người HD khoa học: PGS.TS Đỗ Xuân Tiến

Thái Nguyên, 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Nguyễn Thị Thu Trà

Lớp: Cao học - K12

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Xuân Tiến

Ngày giao đề tài: 10 tháng 10 năm 2010

Ngày hoàn thành: 10 tháng 10 năm 2011

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Đỗ Xuân Tiến

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Thu Trà

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác (trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn)

Tác giả Nguyễn Thị Thu Trà

LỜI CẢM ƠN

Tác gi ả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Đỗ Xuân Tiến,

người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các Thầy giáo, Khoa Sau đại học - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này

Do năng lực bản thân còn hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Nguyễn Thị Thu Trà

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU

3 Đối tượng, phương pháp, nội dung nghiên cứu 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1.1 Lộ trình phát triển các hệ thống thông tin di động 4 1.1.2 Lịch trình phát triển mạng 3G WCDMA 6

1.2.1 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến 9 1.2.2 Các kỹ thuật chính ở giao diện vô tuyến 11 1.2.2.1 Các loại kênh trong WCDMA-R99 11 1.2.2.1.1 Kênh logic 11 1.2.2.1.2 Kênh truyền tải 12 1.2.2.1.3 Kênh vật lý 13 1.2.2.2 Trải phổ và điều chế 13

1.2.2.2.1 Trải phổ 13 1.2.2.2.2 Điều chế 17

1.2.2.4 Điều khiển công suất nhanh 17

Chương 2

CÁC ĐẶC ĐIỂM TỔNG QUAN VỀ HSPA

2.1.2 Thay đổi của HSPA so với R99 21

2.2.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 27

3.6 Kênh điều khiển vật lý dành riêng E-DPCCH 60

3.8 Kênh cho phép tương đối E-DCH (E-RGCH) 65 3.9 Kênh cho phép tuyệt đối E-DCH (E-AGCH) 67

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ ba

ACP Automate Cell Planning Công cụ quy hoạch cell tự động AFP Automatic Frequency Planning Công cụ quy hoạch tần số tự

động AMC Adaptive modulation and coding Mã hóa và điều chế thích ứng AMPS Advanced mobile phone service Dịch vụ điện thoại di động cải

tiến AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực

BPSK Binary phase-shift keying Khóa dịch pha nhị phân

BTS Base transceiver station Trạm thu phát gốc

CCTrCH Coded Composite Transport

CPICH Common pilot channel Kênh hoa tiêu dung chung

CQI Channel Quanlity Information Thông tin chất lượng kênh

CS Circuit Switch Khối chức năng chuyển mạch

kênh

DNO Dynamic Network Optimization Tối ưu mạng động

DPCCH Dedicated Physical Control

Evolution

Giải pháp tăng cường tốc độ dữ liệu cho GSM

EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

EIRP Effective Isotropic Radiated

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

GMSC Gateway Mobile services

Switching Center

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ

di động cổng GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

HS- DSCH High Speed -Downlink Shared

Kênh điều khiển chia sẻ

HS-SICH High-Speed Shared Information

Channel

Kênh thông tin chia sẻ tốc độ cao

HSCSD Hight Speed Circuit Switched

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Up Link Packet

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMSI International Mobile Subsscriber

Telecommunication Union - Radio Sector

Liên minh viễn thông quốc tế - bộ phận vô tuyến

KPI Key Performance Indicators Các chỉ tiêu chất lượng

LTE Long Term Evolution Tiến hóa lâu dài

MS Mobile Station Trạm di động

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MSISDN Mobile Station ISDN Trạm di động ISDN

OSS Operational Support System Hệ thống hỗ trợ vận hành

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

gói PSTN Public Switched Telephone

Điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Serviec Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyến

RNC Radio network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RSCP Received Signal Code Power Công suất mã tín hiệu thu được RTP Real Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian

thực RTT Round Trip Time Thời gian đi hết một vòng

SINR Signal-to-Interference plus noise

ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia thời

gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

UMTS Universal Mobile

VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 1.1 Danh sách kênh logic 12

2 1.2 Danh sách kênh truyền tải 13

3 1.3 Danh sách kênh vật lý 14

4 3.1 Tốc độ bit dữ liệu cho kênh vật lý DPDCH và

5 3.2 So sánh giữa DPDCH và E-DPDCH 59

6 3.3 Tốc độ dữ liệu của kênh DPDCH và E-DPDCH 59

7 3.4 Định dạng khe của E-DPCCH 61

8 3.5 ACK/NACK ánh xạ tới E-HICH 64

9 3.6 Thiết lập các bản tin cho E-RGCH 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động từ 1G 5

2 1.2 Lịch trình chuẩn hóa các phiên bản mạng WCDMA 6

3 1.3 Lộ trình tăng tốc độ dữ liệu đỉnh của WCDMA 7

4 1.4 Kiến trúc mạng WCDMA phiên bản 1999 (R99) 8

5 1.5 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA 10

6 1.6 Ánh xạ các loại kênh trong R99 15

7 1.7 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp trong WCDMA 15

11 2.2 Các chức năng mới trong HSPA 22

12 2.3 Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH 24

13 2.4 Lập lịch phụ thuộc kênh trong HSDPA 25

14 2.5 Nguyên lý lập lịch ở nút B trong HSDPA 27

15 2.6 Nguyên lý xử lý phát lại của nút B trong HSDPA 28

16 2.7 Kiến trúc HSDPA 30

17 2.8 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA 31

18 2.9 Sự xử lý khác nhau của E-DCH và DCH 35

19 2.10 Cấu trúc kênh tổng thể với HSDPA và HSUPA 36

20 2.11 MAC-e và xử lý lớp vật lý 41

21 2.12 Nguyên lý lập lịch trong HSUPA của nút B 42

22 2.13 Chương trình khung lập lịch của HSUPA 43

23 2.14 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và

24 2.15 Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA 47

25 3.1 Bộ định thời của HARQ trong HSUPA với TTI 10ms 50

28 3.2 Bộ định thời của HARQ trong HSUPA với TTI 2ms 51

29 3.3 Hoạt động ARQ HSUPA trong chuyển giao mềm 51

30 3.4 Biểu đồ tải đường lên 56

31 3.5 Cấu trúc khung E-DPDCH 60

32 3.6 Cấu trúc khung của E-DPCCH 62

33 3.7 Cấu trúc khung E-HICH/E-RGCH 64

34 3.8 Ghép 40 kênh E-HICH/E-RGCH thành một kênh mã

35 3.9 Chuỗi mã E-AGCH 68

36 3.10 Cấu trúc khung E-AGCH 69

37 3.11 Đo UPH trong HSUPA 69

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ hiện đại hiện nay như điện tử, tin học,… công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ, cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay, thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ

Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ về nhu cầu truyền thông không dây cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ Tuy nhiên, theo đánh giá thì công nghệ truyền thông không dây hiện thời vẫn chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng đặc biệt

là các loại hình dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện như: tải tệp, phân phối email, trình duyệt web tốc độ cao, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ sở

dữ liệu, mobileTV, dịch vụ streaming, Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải cải tiến công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn

Để đáp ứng yêu cầu đó, ngay từ những năm đầu của thập kỷ 90, người

ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) ITU-R tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở Châu Âu, ETSI tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ tối đa có thể đạt được là 2 Mb/s Thực tế, hệ thống này chỉ cung cấp được các dịch vụ dữ liệu với chất lượng cao ở 384 kb/s ở WCDMA-R99 Chính vì vậy,

để đáp ứng các yêu cầu về băng thông và chất lượng ngày càng cao của con người, các hệ thống thông tin di động tiếp theo được nghiên cứu

Các tổ chức viễn thông quốc tế cũng như một số nhà khai thác di động hàng đầu th ế giới tiếp tục nghiên cứu, đề xuất và thử nghiệm các công nghệ mới, điển hình là công nghệ truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) HSPA là một tập các tính năng mới được đề cập bởi 3GPP nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn

dữ liệu của hệ thống UMTS, tăng tốc dữ liệu đỉnh đối với dung lượng gói đường xuống (HSDPA) và đường lên (HSUPA) HSPA được coi là một trong những công nghệ tiên tiến của hệ thống thông tin di động 3,5G

Trong phiên bản Rel’6, HSDPA có thể nâng cao tốc độ dữ liệu đường xuống lên tới 14,4 Mb/s (về mặt lý thuyết) và gia tăng đáng kể dung lượng của mạng di động đồng thời HSUPA cũng là bước phát triển mới cho mạng UMTS với mục tiêu tăng tốc độ truyền dẫn gói dữ liệu ở đường lên tới 5,76 Mb/s Xuất phát từ vấn đề trên, học viên đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao-HSUPA”

2 Ý nghĩa của đề tài

- Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin di động WCDMA, cấu trúc, đặc điểm của HSUPA và các cải tiến nâng cao như: điều chế bậc cao, điều khiển tốc độ, lập lịch phụ thuộc kênh, HARQ,…để có thể giúp các nhà cung cấp dịch vụ lựa chọn đúng đắn giải pháp công nghệ nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng như: truyền file, tải nhạc, mobileTV,…

- Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài là bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng cũng như giảm độ trễ trên đường truyền gói lên của mạng UMTS HSUPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng đường truyền như: khoảng thời gian truyền dẫn ngắn, cơ chế yêu cầu lặp tự động lai,… nhằm cải tiến đường truyền lên và nâng cao tốc độ lên đến 5,76 Mb/s

3 Đối tượng, phương pháp, nội dung nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấ u trúc , các đặc điểm và các kỹ

thuật cơ bản của công nghệ HSUPA

- Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết về hệ thống thông tin di động WCDMA, từ đó đi sâu nghiên cứu công nghệ HSUPA và chủ yếu tập trung vào nghiên cứu kênh dành riêng E-DCH, MAC-e và sự xử lý lớp vật lý, sự lập lịch, HARQ, sự phân bố kênh vật lý,…để có thể nâng cao tốc độ đường truyền lên đến 5,76 Mb/s

- Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu cấu trúc, các đặc điểm cơ bản

và kỹ thuật cải tiến nâng cao của công nghệ HSUPA

Cấu trúc luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin di động Chương 2: Các đặc điểm tổng quan về HSPA

Chương 3: Nghiên cứu chi tiết về HSUPA

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Nội dung chính

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Giao diện vô tuyến mạng WCDMA-R99

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Lộ trình phát triển các hệ thống thông tin di động

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) được biết đến là hệ thống tương tự từ những năm 1980 1G sử dụng công nghệ FDMA với các hệ thống điển hình như AMPS ở Mỹ, TACS ở Châu Âu Thế hệ thứ hai (2G) ra đời vào đầu năm 1990, sử dụng kỹ thuật số 2G đã khắc phục các nhược điểm

về tốc độ, dung lượng, bảo mật và giá thành của 1G Trong đó, hệ thống GSM áp dụng công nghệ TDMA được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Sau đó là

hệ thống cdma One (IS-95) sử dụng CDMA ở Mỹ Các hệ thống thuộc hai thế

hệ này chủ yếu đáp ứng nhu cầu về dịch vụ thoại cho khách hàng [8]

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về các dịch vụ đa phương tiện, truy cập internet, truyền dữ liệu tốc độ cao,…các hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) được ra đời vào những năm đầu 2000 với tên gọi chung IMT-2000 Trong đó, WCDMA sử dụng CDMA trải phổ trực tiếp băng rộng là một công nghệ được 3GPP lựa chọn và chuẩn hóa 3GPP là một đề án chuẩn hóa của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ và Trung Quốc UMTS là hệ thống dựa trên công nghệ CDMA (WCDMA hoặc TD-CDMA)

do 3GPP chuẩn hóa để phát triển các hệ thống 3G trên nền hệ thống 2G GSM trong đó WCDMA thành công và được triển khai rộng rãi hơn nên hai thuật ngữ UMTS và WCDMA thường được dùng như nhau WCDMA có thể sử

dụng chế độ song công FDD hoặc TDD Lộ trình phát triển của các hệ thống

di động từ 1G được thể hiện ở hình 1.1 [1], [10]

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các hệ thống thông tin di động từ 1G

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động 3G như sau [2]:

- Tốc độ bít đạt đến 2 Mb/s

- Tốc độ bít thay đổi để cung cấp băng thông theo yêu cầu

- Ghép các dịch vụ với QoS khác nhau trên một kết nối

- Hỗ trợ yêu cầu về trễ đa dạng, từ dịch vụ thời gian thực nhạy cảm trễ đến dịch vụ dữ liệu gói linh hoạt theo nỗ lực tối đa

- Hỗ trợ đồng thời mạng 2G và 3G, chuyển giao liên hệ thống để tăng cường vùng phủ và cân bằng tải

- Hỗ trợ các lưu lượng không đối xứng giữa đường lên và đường xuống

- Hiệu suất phổ tần cao

Các yêu cầu trên đã tạo nên nhiều điểm khác biệt của mạng WCDMA so với mạng GSM 2G (chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại) như độ rộng băng tần lớn hơn (5 MHz so với 0,2 MHz), sử dụng đa truy nhập theo mã với hệ số tái sử

dụng tần số là 1 so với đa truy nhập theo thời gian và hệ số tái sử dụng tần số

lớn hơn ở GSM, điều khiển công suất nhanh hơn,…

1.1.2 Lịch trình phát triển mạng 3G WCDMA

Bộ chuẩn đầy đủ đầu tiên của mạng WCDMA được hoàn thành và phát hành vào cuối năm 1999 do đó gọi là phiên bản 99, được viết tắt là R99 Mạng thương mại đầu tiên được mở vào năm 2001 ở Nhật Bản, sau đó ở Châu Âu năm 2003 Mạng WCDMA tiếp tục được phát triển và chuẩn hóa với các phiên bản khác nhau như lịch trình được thể hiện ở hình 1.2 [11]

Hình 1.2 Lịch trình chuẩn hóa các phiên bản mạng WCDMA

- Phiên bản 4 (R4) năm 2001: Chủ yếu thay đổi kiến trúc mạng lõi chuyển mạch kênh bằng cách tách MSC/VLR thành MSC Server và MGW

- Phiên bản 5 (R5) năm 2002: Thay đổi phần truy nhập vô tuyến với HSDPA làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu đường xuống so với R99; hỗ trợ kiến trúc truyền tải IP ở tất cả các giao diện và đưa thêm vào phân hệ đa phương tiện IP (IMS)

- Phiên bản 6 (R6) năm 2004: Phần truy nhập vô tuyến tiếp tục được thay đổi với HSUPA nhằm tăng tốc độ dữ liệu đường lên so với R99; bổ sung dịch vụ phát quảng bá và đa hướng đa phương tiện (MBMS) và các dịch vụ đa phương tiện giàu nội dung trên hệ thống đa phương tiện IP (IMS)

- Phiên bản 7 năm 2007: HSPA+ tăng cường hơn nữa giao diện vô tuyến với MIMO ở đường xuống, điều chế 64/16 QAM ở đường lên/đường xuống để tăng tốc độ dữ liệu

- Phiên bản 8 cuối 2007: LTE dựa trên OFDM

Lộ trình tăng tốc độ dữ liệu đỉnh được thể hiện ở hình 1.3 Từ tốc độ 2 Mb/s lý thuyết, thực tế 384 kb/s ở R99 tăng lên đến 14,4 Mb/s đường xuống

và 5,76 Mb/s đường lên ở R6 Với sự phát triển của HSPA+ ở R7, tốc độ đỉnh đường xuống đạt 28,8 Mb/s và 11 Mb/s ở đường lên LTE R8 tiếp tục đẩy tốc độ dữ liệu đỉnh lên trên 100Mb/s đường xuống và 50 Mb/s đường lên

Hình 1.3 Lộ trình tăng tốc độ dữ liệu đỉnh của WCDMA

1.1.3 Kiến trúc mạng WCDMA-R99

Kiến trúc mạng WCDMA R99 được thể hiện ở hình 1.4 Xét về mặt chức năng, các phần tử mạng được chia thành phân hệ mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN) và phân hệ mạng lõi (CN)

Xét ở khía cạnh đặc tả và chuẩn hóa so với GSM thì cả UE và UTRAN đều bao gồm toàn bộ các giao thức mới được xây dựng dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA trong khi đó CN được kế thừa từ GSM [1], [2], [6]

Mô tả ngắn gọn từng phần tử mạng:

Thiết bị người sử dụng (UE) có thể là máy di động, card dữ liệu… gồm hai phần:

- Thiết bị di động (ME) là đầu cuối vô tuyến sử dụng để truyền tín hiệu

vô tuyến qua giao diện Uu

- Khối nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) là vi mạch chứa nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu các khóa nhận thực, bảo

mật và một số thông tin thuê bao khác Kết nối với ME qua giao diện Cu và với nút B qua giao diện vô tuyến Uu

Iu-ps (ATM) Iur

(ATM) Iu-cs

(ATM)

Iub (ATM) Iub (ATM)

Iub (ATM)

Iu-ps (ATM)

Ga (GTP/IP)

Gi (IP)

Gb

PCM RNC

UE Uu

M¹ng truy nhËp v« tuyÕn

(UTRAN/GSMRAN)

M¹ng lâi (Core Network)

Giao diÖn A

Hình 1.4 Kiến trúc mạng WCDMA phiên bản 1999 (R99)

Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử:

- Nút B: Tương ứng với BTS trong mạng GSM, nút B có chức năng xử

lý lớp vật lý và tham gia điều khiển tài nguyên vô tuyến Nút B kết nối với RNC qua giao diện Iub, khác với BTS trong GSM, giao diện này được chuẩn hóa

- RNC: Tương ứng với BSC trong mạng GSM, RNC có vai trò điều khiển các nút B kết nối đến nó như thiết lập cuộc gọi, xử lý QoS và quản lý tài nguyên vô tuyến Kết nối với MSC/VLR mạng lõi qua giao diện Iu-CS cho dịch vụ chuyển mạch kênh và SGSN qua Iu-PS cho dịch vụ chuyển mạch gói Khác với BSC, các RNC có thể kết nối với nhau qua giao diện Iur được chuẩn hóa

Mạng lõi CN gồm các phần tử như mạng GSM:

- HLR: Cơ sở dữ liệu lưu bản gốc các thông tin chính liên quan đến dịch vụ của người sử dụng và vị trí của UE ở mức MSC/VLR và/hoặc SGSN

- MSC/VLR: Thực hiện chuyển mạch và lưu bản sao cơ sở dữ liệu của

UE trong vùng phục vụ đối với dịch vụ chuyển mạch kênh

- GMSC: MSC cổng thực hiện chuyển mạch kết nối CS giữa mạng UMTS với các mạng CS khác

- GPRS/GGSN: Tương tự chức năng như MSC/GMSC nhưng cho dịch

Tuy nhiên, phần chính tạo nên sự khác biệt của hệ thống 3G WCDMA

so với 2G GSM vẫn nằm ở giao diện vô tuyến, mạng lõi được kế thừa từ 2G

1.2 Giao diện vô tuyến mạng WCDMA-R99

1.2.1 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến

Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến gồm 3 lớp được thể hiện ở hình 1.5 [6]

- RRC lớp 3: Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) thể hiện lớp 3 của mặt phẳng diều khiển, được đặt ở RNC và UE RRC có thể tạo các bản tin của nó hoặc gói các bản tin từ các lớp cao hơn

o RRC có các chức năng chính: điều khiển truy nhập, tìm gọi và thông báo, báo cáo và điều khiển bản đo, quản lý các kết nối RRC, quản lý sóng mang vô tuyến (RB) và phát quảng bá thông tin hệ thống

o RRC sử dụng cơ chế trạng thái để định nghĩa loại kênh vật lý mà

UE sử dụng UE có 2 chế độ: chế độ rỗi và chế độ kết nối Chế độ

kết nối được chia tiếp thành 4 trạng thái: CELL_DCH, CELL_FACH, CELL_PCH và URA_PCH

- PDCP lớp 2: Giao thức hội tụ dữ liệu gói là giao thức lớp 2 ở mặt phẳng người dùng, chỉ sử dụng cho dịch vụ chuyển mạch gói để nén tiêu đề Ngoài

ra, ở đây còn có giao thức điều khiển phát quảng bá và đa hướng (BMC) để gửi các bản tin quảng bá ô

Hình 1.5 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến WCDMA

- RLC lớp 2: Giao thức điều khiển kết nối vô tuyến (RLC), được đặt ở RNC

- MAC lớp 2: Giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) được đặt ở RNC và UE

o MAC có chức năng ánh xạ kênh logic lên các kênh truyền tải, ưu tiên hóa các luồng dữ liệu, đánh địa chỉ kênh chung cho từng người sử dụng và mật mã hóa cho các kênh ở chế độ trong suốt

o MAC cung cấp dịch vụ cho RLC thông qua các kênh logic

- Lớp vật lý - lớp 1: Có ở cả RNC, nút B và UE

o Lớp vật lý thực hiện các chức năng ghép và mã hóa kênh, trải phổ và ngẫu nhiên hóa, điều chế, chuyển giao, chế độ nén, điều khiển công suất và đo đạc

o Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC thông qua các kênh truyền tải

1.2.2 Các kỹ thuật chính ở giao diện vô tuyến

Các kỹ thuật, nguyên lý cơ bản của giao diện vô tuyến WCDMA được

sử dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu đối với hệ thống 3G (như đã đề cập ở mục 1.1.1) bao gồm: các loại kênh trong WCDMA , trải phổ và đi ều chế, máy thu

RAKE, điều khiển công suất và chuyển giao mềm

1.2.2.1 Các loại kênh trong WCDMA-R99

WCDMA-R99 có 3 loại kênh: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý Các kênh này được chia tiếp thành các loại theo tiêu chí: đường lên/đường xuống, điều khiển/người dùng, chung/riêng

1.2.2.1.1 Kênh logic

Danh sách các kênh logic và mô tả tóm tắt trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Danh sách kênh logic

BCCH Kênh điều khiển quảng bá phát quảng bá thông tin hệ thống

cho các UE trong cell

PCCH Kênh điều khiển tìm gọi phát thông tin tìm gọi cho các UE

trong cell

CCCH Kênh điều khiển chung phát thông tin điều khiển hai chiều

trong trường hợp không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một cell mới

DCCH Kênh điều khiển dành riêng phát thông tin điều khiển dành

riêng hai chiều trong trường hợp thiết lập kết nối RRC

DTCH Kênh lưu lượng dành riêng truyền dữ liệu của người dùng ở cả

hai chiều

CTCH Kênh lưu lượng dùng chung phát dữ liệu đến một hay nhiều UE

1.2.2.1.2 Kênh truyền tải

Kênh truyền tải định nghĩa dữ liệu được truyền như thế nào qua giao diện vô tuyến, được lớp vật lý ánh xạ lên các kênh vật lý

Danh sách các kênh truyền tải và mô tả tóm tắt trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Danh sách kênh truyền tải

BCH Kênh quảng bá ánh xạ với kênh logic BCCH để phát

quảng bá thông tin hệ thống cho các UE trong cell

PCH Kênh tìm gọi ánh xạ với kênh logic PCCH để phát thông

tin tìm gọi cho các UE

FACH Kênh truy nhập đường xuống phát thông tin điều khiển và

số liệu của người sử dụng Kênh chia sẻ chung cho nhiều

UE Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn

RACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên đường lên phát thông tin điều

khiển và số liệu người sử dụng

DCH Kênh truyền tải dành riêng truyền dữ liệu cho một UE ở

cả hai chiều

1.2.2.1.3 Kênh vật lý

Kênh vật lý định nghĩa các thuộc tính và sắp xếp vật lý sử dụng để truyền dữ liệu qua giao diện vô tuyến, ví dụ hệ số trải phổ… Danh sách kênh vật lý và mô tả tóm tắt trong bảng 1.3

1.2.2.2 Trải phổ và điều chế

1.2.2.2.1 Trải phổ

WCDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) với nguyên lý được

thể hiện như hình 1.7 Trong đó, tín hiệu vào x có tốc độ R b được trải phổ

bằng cách nhân với chuỗi mã trải phổ c có tốc độ chíp R c >> R b để được

luổng ra y có tốc độ R c Ở miền tần số, y có độ rộng băng tần được mở rộng

R c /R b lần Ở phía thu luồng y được giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát

S-CCPCH Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp truyền kênh truyền tải

CPICH Kênh hoa tiêu chung cung cấp tham khảo định thời trong cell

Gồm hai loại kênh: sơ cấp (P-CPICH) và thứ cấp (S-CPICH)

SCH

Kênh đồng bộ, dùng để đồng bộ thời gian trong cell Gồm kênh

sơ cấp (P-SCH) để tìm kiếm ô và kênh thứ cấp (S-SCH) dùng để định thời khung

PICH

Kênh chỉ thị tìm gọi phát các chỉ thị tìm gọi (PI) báo cho UE có bản tin trên kênh truyền tải PCH và được ánh xạ trên kênh vật lý S-CCPCH

AICH

Kênh chỉ thị truy nhập phát các chỉ thị truy nhập (AI) báo cho

UE là mạng đã nhận được tiền tố RACH và UE có thể phát bản tin RACH

DPCCH

Kênh điều khiển vật lý dành riêng truyền thông tin điều khiển liên quan đến DPDCH ở cả hai chiều như tín hiệu hoa tiêu, lệnh điều khiển công suất…

Hình 1.6 Ánh xạ các loại kênh trong R99

Thực tế, trải phổ trong WCDMA gồm hai bước: bước 1 trải phổ đến tốc độ chíp 3,84 Mc/s bằng cách sử dụng các mã định kênh trực giao, bước 2 ngẫu nhiên hóa bằng các chuỗi ngẫu nhiên không trực giao

Hình 1.7 Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp dùng trong WCDMA

Mã định kênh có các đặc điểm sau:

- Sử dụng mã có hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF) với thuộc tính quan trọng là hệ số trải phổ (SF) có thể thay đổi, tính trực giao giữa các

mã có hệ số khác nhau được đảm bảo Trong đó, SF là tỷ số giữa tốc độ trải phổ (3,84 Mc/s) và tốc độ ký hiệu của tín hiệu đưa lên trải phổ Điều này cho phép WCDMA hỗ trợ các dịch vụ có tốc độ bít khác nhau

- Số mã trên mỗi mã ngẫu nhiên bằng SF (số mã hạn chế)

- Các mã được chọn sử dụng trong một cell phải từ một cây mã và không nằm trên cùng đường tới gốc cây Hình 1.8 thể hiện một cây mã

- Chỉ được sử dụng từ một nguồn duy nhất để đảm bảo tính trực giao

Do đó, mã định kênh được sử dụng để phân biệt các UE ở đường xuống và phân biệt loại kênh (điều khiển, người dùng) từ một UE ở đường lên

Mã ngẫu nhiên hóa có các đặc điểm sau:

- Sử dụng sau trải phổ, không làm thay đổi tốc độ dữ liệu vào

- Sử dụng họ mã Gold hoặc S(2)

- Số mã đường xuống: 512 Số mã đường lên: hàng triệu mã

- Không yêu cầu đồng bộ nên mã ngẫu nhiên được sử dụng để phân biệt cell ở đường xuống và phân biệt UE ở đường lên

Hình 1.8 Cây mã định kênh

1.2.2.2.2 Điều chế

Đường xuống sử dụng điều chế QPSK thông thường Trước đó, dữ liệu điều khiển và người dùng được biến đổi nối tiếp/song song, trải phổ và ngẫu nhiên hóa, sau đó các kênh này được ghép theo thời gian và đưa lên điều chế QPSK Ở đường lên, để tránh tạo ra nhiễu có thể nghe được do DTX, dữ liệu điều khiển (DPCCH) và dữ liệu người dùng (DPDCH) được ghép kênh theo

mã I-Q cùng với ngẫu nhiên phức, sau đó được đưa lên điều chế BPSK Do

đó, điều chế ở đường lên còn được gọi là điều chế QPSK song kênh

1.2.2.3 Máy thu RAKE

Pha đinh đa đường trên kênh vô tuyến dẫn đến trải trễ và chọn lọc tần số,

có thể làm thu sai tín hiệu WCDMA sử dụng các kỹ thuật thu phân tập, điều khiển công suất nhanh và mã hóa kênh, đan xen, phát lại để giảm thiểu và khắc phục ảnh hưởng của pha đinh đa đường Trong đó, máy thu phân tập RAKE được sử dụng để thu và kết hợp các tín hiệu đa đường thành tín hiệu tốt hơn trước khi đưa vào giải mã và xử lý tiếp theo Nguyên tắc kết hợp sử dụng thuật toán kết hợp tỷ số tối đa (MRC), do đó độ lợi thu phân tập còn được gọi là độ lợi thu MRC

1.2.3.4 Điều khiển công suất nhanh

Điều khiển công suất nhanh và chặt là một yêu cầu quan trọng trong WCDMA với các lý do:

- WCDMA sử dụng chung tần số, trong khi đó ở đường lên các UE sử dụng mã ngẫu nhiên không trực giao, dẫn đến vẫn đề “gần-xa” Tức là UE này phát mạnh làm nhiễu tăng cho các UE khác đặc biệt là khi UE ở biên ô

- Đường xuống sử dụng mã OVSF trực giao trong mỗi ô nên vẫn có nhiễu liên ô và có thể có nhiễu trong ô do mất trực giao vì ảnh hưởng của pha đinh

- Điều khiển công suất vòng hở (như ở GSM) chưa đủ hiệu quả do tần số giữa đường lên và đường xuống khác nhau lớn

Vì vậy, WCDMA sử dụng điều khiển công suất nhanh vòng kín WCDMA chỉ sử dụng điều khiển công suất vòng hở cho thiết lập công suất ban đầu của UE khi bắt đầu thiết lập kết nối Nguyên lý điều khiển công suất cho đường lên được thể hiện ở hình 1.9, đường xuống được thực hiện tương

tự

Hình 1.9 Nguyên lý điều khiển công suất đường lên trong WCDMA

Nút B thường xuyên đánh giá SIR thu được và so sánh với SIR đích, nếu kết quả cao hơn thì nút B yêu cầu UE giảm công suất và ngược lại (vòng kín) Chu kỳ này được thực hiện với tần số 1,5 kHz, nhanh hơn so với thăng giáng

do suy hao đường truyền (pha đinh chậm), thậm chí có thể nhanh hơn thăng giáng do pha đinh nhanh với UE di chuyển ít

Do SIR có thể thay đổi theo điều kiện kênh, tốc độ di chuyển của UE nên điều khiển công suất vòng ngoài được sử dụng để điều chỉnh SIR xung quanh giá trị tối thiểu để đảm bảo chất lượng yêu cầu (BER hoặc BLER) Điều khiển công suất vòng hở đường lên do RNC thực hiện vì có chuyển giao mềm, còn

UE thực hiện ở đường xuống

1.2.2.5 Chuyển giao mềm

Chuyển giao mềm và mềm hơn (SHO) là thủ tục trong đó UE luôn duy trì ít nhất một kết nối vô tuyến đến mạng Khi đó, UE ở trong vùng chồng lấn của các cell lân cận cùng một nút B (chuyển giao mềm hơn) hoặc khác nút B (chuyển giao mềm) Thông thường, chuyển giao mềm hơn xảy ra với khoảng 5-15% kết nối, chuyển giao mềm là 20-40% Các ô đang tham gia vào một kết nối SHO của UE gọi là tập tích cực, các cell được UE đo liên tục và không có trong tập tích cực gọi là tập giám sát, các ô được UE phát hiện nhưng không thuộc các tập trên gọi là tập phát hiện

Ở đường xuống, tín hiệu UE nhận từ các cell trong tập tích cực được máy thu RAKE kết hợp thành tín hiệu cuối cùng Do đó, đường xuống có độ lợi SHO chống lại pha đinh nhanh

Ở đường lên, với chuyển giao mềm hơn, tín hiệu của UE phát đồng thời đến các cell được máy RAKE ở nút B thu và kết hợp, do đó cũng có độ lợi do SHO như đường xuống Với chuyển giao mềm, nút B cố gắng giải mã tín hiệu thu được và chuyển cho RNC RNC chọn tín hiệu tốt nhất, hủy các tín hiệu lặp và thu không đúng Nếu không có tín hiệu nào thu đúng thì sẽ được RLC phát hiện và phát lại Trong chuyển giao mềm, điều khiển công suất được thực hiện theo nguyên tắc “hoặc của giảm”, tức là nếu một trong các cell trong tập tích cực yêu cầu giảm công suất thì UE phải giảm

Ngoài SHO, WCDMA còn hỗ trợ các loại chuyển giao khác như chuyển giao cứng liên tần số, liên hệ thống (ví dụ giữa 2G và 3G) [2]

2.1.1 Chuẩn hóa HSPA trong 3GPP

Truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) bao gồm truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) và truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) Trong

đó, HSDPA được 3GPP chuẩn hóa trong phiên bản 5 vào tháng 3/2002 và HSUPA được chuẩn hóa trong phiên bản 6 vào tháng 12/2004 HSPA ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về các dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cũng như yêu cầu về giảm chi phí của nhà khai thác

HSPA cải thiện đáng kể so với R99 cả về tốc độ dữ liệu đỉnh, throughput của cell và trễ vòng Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8 Mb/s, sau tăng lên 3,6 Mb/s và 7,2 Mb/s vào năm 2006, năm 2007 và sau đó có thể đạt đến 14,4 Mb/s Trong giai đoạn đầu, tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2 Mb/s Trong giai đoạn hai, tốc độ này có thể đạt đến 4-5,76 Mb/s [2], [10], [22]

HSPA được phá t triển trên nền mạng WCDMA -R99 với cùng một sóng mang hoặc khác sóng mang nếu cần dung lượng và tốc độ bít cao hơn Trong

cả hai trường hợp , HSPA và R99 có thể chia sẻ toàn bộ các phần tử mạng lõi

và mạng vô tuyến bao gồm nút B, RNC, SGSN, GGSN Nâng cấp từ R99 lên HSPA chỉ yêu cầu gói phần mềm mới, một số phần cứng trong nút B và RNC

Do đó , chi phí để nâng cấp từ mạng R 99 lên HSPA sẽ rất thấp so với xây dựng một mạng độc lập mới Thiết bị đầu cuối hỗ trợ HSDPA đầu tiên là card

dữ liệu dùng cho máy tính xách tay Năm 2006, máy di động hỗ trợ HSDPA đã ra đời

2.1.2 Thay đổi của HSPA so với R99

HSPA được tăng cường so với R99 chủ yếu ở giao diện vô tuyến Trong

đó, các chức năng cơ bản của các lớ p giao thức ở HSDPA và HSUPA đều tương tự như ở R99 Riêng ở mặt phẳng người s ử dụng, HSDPA có thêm một thực thể giao thức mới thu ộc lớp MAC ở nút B, đó là MAC -hs (hs là viết tắt của high speed: tốc độ cao) MAC-hs ở nút B thực hiện các chức năng lập lịch, điều khiển tốc độ và HARQ Trong khi đó , ở RNC vẫn còn MA C-d (d: dedicated: dành riêng), tuy nhiên chỉ còn chức năng chuyển mạ ch kênh truyền tải Tất cả chức năng khác như lập lịch , xử lý ưu tiên đã đ ược chu yển sang MAC-hs ở nút B Kiến trúc giao diện vô tuyến của R99, HSDPA và HSUPA được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng

HSUPA có thêm thực thể MAC -e ở nút B để thực hiện chức năng lập lịch và HARQ Ngoài ra, ở RNC được bổ sung thực thể MAC-es để sắp xếp

lại thứ tự các gói từ UE gửi lên do có chuyển giao mềm ở đường lên HSUPA

và phát lại ở lớp vật lý

Các chức năng mới và những thay đổi trong HSPA ở từng phần tử mạng của R99 được thể hiện ở hình 2.2

Hình 2.2 Các chức năng mới trong HSPA

- RNC: Bổ sung các chức năng quản lý di động và tài nguyên vô tuyến HSPA, quản lý tài nguyên Iub HSPA, lưu lượng số liệu lớn hơn và thêm chức năng sắp xếp lại gói với HSUPA So với R99, RNC không còn chức năng lập lịch , điều khiển công suất cũng chỉ còn đối với HSUPA

- Nút B: Được bổ sung thêm nhiều chức năng mới, trong đó có nhiều chức năng lớp cao (lớp 2) được chuyển từ RNC:

o HSDPA: Nhớ đệm dữ liệu phát, xử lý HARQ, giải mã phản hồi, điều khiển luồng, lập lịch đường xuống và điều chế 16 QAM

o HSUPA: Xử lý HARQ, mã hóa phản hồi, lập lịch đường lên

- Máy đầu cuối UE:

o HSDPA: Bổ sung thêm chức năng xử lý HARQ với bộ đệm mềm, tạo và phát phản hồi HARQ cho nút B, giải điều chế 16 QAM

o HSUPA: Xử lý HARQ, tạo và phát phản hồi về trạng thái bộ đệm và công suất phát cho nút B, truyền dẫn đa mã và lập lịch đường lên

2.2 HSDPA

HSDPA được xây dựng trên mạng WCDMA R99, chủ yếu nhờ mở rộng

giao diện vô tuyến của R99 nhằm nâng cao khả năng và hiệu năng truyền dữ liệu gói đường xuống về mặt tốc độ dữ liệu đỉnh, giảm trễ và tăng dung lượng

Để đạt được mục đích đó, một số kỹ thuật chính được đưa vào sử dụng trong mạng HSDPA như: sử dụng kênh chia sẻ đường xuống, thích ứng đường truyền, điều chế bậc cao hơn, lập lịch phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm [1], [2], [14]

2.2.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ

Đặc điểm chủ yếu của HSDPA là truyền dẫn kênh chia sẻ Trong truyền dẫn kênh chia sẻ, một bộ phận của tổng tài nguyên vô tuyến đường xuống khả dụng trong ô (công suất phát và mã định kênh trong WCDMA) được coi là tài nguyên chung được chia sẻ động theo thời gian giữa những người sử dụng Truyền dẫn kênh chia sẻ được thực hiện thông qua kênh chia

sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) HS-DSCH cho phép cấp phát nhanh một bộ phận tài nguyên đường xuống để truyền số liệu cho một người sử dụng đặc thù Phương pháp này phù hợp cho các ứng dụng số liệu gói thường được truyền theo dạng cụm và vì thế có các yêu c ầu về tài nguyên thay đổi nhanh

Cấu trúc cơ sở thời gian và mã của HS-DSCH được cho trên hình 2.3 Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 (phần trên của hình 2.3) trong đó số mã có thể sử dụng để lập cấu hình cho HS-DSCH nằm trong khoảng từ 1 đến 15 Các mã không dành cho HS-

DSCH được sử dụng cho mục đích khác như các báo hi ệu điều khiển, các dịch vụ MBMS hay các dịch vụ chuyển mạch kênh

Hình 2.3 Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH

Phần dưới của hình 2.3 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng trên cở sở TTI là 2 ms (TTI: Transmit Time Interval: Khoảng thời gian truyền dẫn) HSDPA sử dụng TTI ngắn để giảm trễ và cải thiện quá trình bám theo các thay đổi của kênh phục vụ cho mục đích điều khiển tốc độ và lập lịch phụ thuộc kênh

Ngoài việc được ấn định một bộ phận của tổng tài nguyên mã khả dụng, một phần tổng công suất khả dụng của ô phải được ấn định cho truyền dẫn HS-DSCH HS-DSCH không được điều khiển công suất nhưng được điều khiển tốc độ Trong trường hợp sử dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, phần công suất còn lại có thể được sử dụng cho HS-DSCH Điều này cho phép khai thác tổng tài nguyên công suất khả dụng một cách hiệu quả