tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP gói ĐƯỜNG lên tốc độ CAO HSUPA

Tuy nhiên, theo đánh giá thì công nghệtruyền thông không dây hiện thời vẫn chưa thực sự đáp ứngđược các yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng đặc biệt làcác loại hình dịch vụ truyền số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS ĐÔ XUÂN TIẾN

THÁI NGUYÊN - 2011

Thái nguyên

Cán bộ HDKH : PGS.TS Đỗ Xuân Tiến

Phản biện 1 : TS Bùi Trung Thành

Phản biện 2 : TS Nguyễn Duy Cương

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 16 giờ 00 phút ngày 22tháng 12 năm 2011.

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

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

Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ vềnhu cầu truyền thông không dây cả về số lượng, chất lượng vàcác loại hình dịch vụ Tuy nhiên, theo đánh giá thì công nghệtruyền thông không dây hiện thời vẫn chưa thực sự đáp ứngđược các yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng đặc biệt làcác 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 vụstreaming, Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải cải tiếncông nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và tốt hơn

Để đáp ứng yêu cầu đó, ngay từ những năm đầu củathập kỷ 90, người ta đã tiến hành nghiên cứu, hoạch định hệthống thông tin di động thế hệ ba (3G) ITU-R tiến hành côngtác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầuIMT-2000 Ở Châu Âu, ETSI tiến hành tiêu chuẩn hóa phiênbản này với tên gọi là UMTS có khả năng cung cấp nhiều loạihình 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 chấtlượng 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 caocủa con người, các hệ thống thông tin di động tiếp theo đượcnghiên cứu.

Các tổ chức viễn thông quốc tế cũng như một số nhà khaithác di động hàng đầu thế giới tiếp tục nghiên cứu, đề xuất vàthử nghiệm các công nghệ mới, điển hình là công nghệ truynhập gói tốc độ cao (HSPA) HSPA là một tập các tính năng mớiđược đề cập bởi 3GPP nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệucủa hệ thống UMTS, tăng tốc dữ liệu đỉnh đối với dung lượnggói đường xuống (HSDPA) và đường lên (HSUPA) HSPA đượccoi 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) vàgia tăng đáng kể dung lượng của mạng di động đồng thờiHSUPA cũng là bước phát triển mới cho mạng UMTS với mụctiêu tăng tốc độ truyền dẫn gói dữ liệu ở đường lên tới 5,76Mb/s

2 ĐỐI TƯỢNG, NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấu trúc, các đặcđiểm và các kỹ thuật cơ bản của công nghệ HSUPA

2.2 Nguồn tài liệu.

Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước,các tạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liênquan

2.3 Phương pháp nghiên cứu.

Đề tài nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết về hệ thống thôngtin di động WCDMA, từ đó đi sâu nghiên cứu công nghệHSUPA và chủ yếu tập trung vào nghiên cứu kênh dành riêngE-DCH, MAC-e và sự xử lý lớp vật lý, sự lập lịch, HARQ, sựphân bố kênh vật lý,…để có thể nâng cao tốc độ đường truyềnlên đến 5,76 Mb/s

3 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN.

HSUPA là bước phát triển tiếp theo của WCDMA được

đề cập bởi 3GPP nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn, tăng tốc độ

dữ liệu đỉnh đối với dung lượng gói đường lên đạt 5,76 Mb/s(trong phiên bản Rel’6) đáp ứng được nhu cầu ngày càng caocủa người sử dụng về các dịch vụ đa phương tiện mới như: tảitệp, phân phối email, trình duyệt web tốc độ cao, truy nhậpserver, truy tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu, mobileTV, dịch vụstreaming, Tốc độ này đạt được nhờ các kỹ thuật cải tiếnnâng cao như: điều chế bậc cao, điều khiển tốc độ, lập lịch phụthuộc kênh, HARQ, HSUPA được coi là một trong những côngnghệ tiên tiến của hệ thống thông tin di động 3,5G

Bản luận văn gồm 74 trang với 3 chương, tác giả đã tìmhiểu lý thuyết:

 Kiến thức tổng quan về thông tin di động bao gồm: lộtrình phát triển các hệ thống thông tin di động, lịch trình pháttriển mạng 3G WCDMA, đặc biệt là kiến trúc và giao diện vôtuyến của mạng WCDMA-R99

 Nghiên cứu lý thuyết các đặc điểm tổng quan về HSPAbao gồm: các thay đổi của HSPA so với WCDMA-R99 nhằmnâng cao khả năng và hiệu năng truyền dữ liệu gói về mặt tốc

độ dữ liệu đỉnh (14,4 Mb/s đối với HSDPA và 5,76 Mb/s đốivới HSUPA trong phiên bản Rel’6 của 3GPP), giảm trễ và tăngdung lượng nhờ áp dụng một số kỹ thuật: truyền dẫn kênh chiasẻ, thích ứng đường truyền, điều chế bậc cao hơn, lập lịch phụthuộc kênh, HARQ với kết hợp mềm, MAC-e và sự xử lý lớpvật lý,…

 Nghiên cứu chi tiết về công nghệ HSUPA bao gồm:Cấu trúc bộ định thời 10 ms; 2 ms của HARQ trong HSUPA,tốc độ bít dữ liệu cho kênh vật lý DPDCH và E-DPDCH, cấutrúc khung của E-DPDCH, E-DPCCH, E-HICH/E-RGCH, E-AGCH,…

4 KẾT CẤU LUẬN VĂN.

Ngoài các phần: Mở đầu, Mục lục, Thuật ngữ viết tắt và Kếtluận, Luận văn được bố cục gồm 03 chương, 37 hình vẽ, 09bảng biểu và 26 tài liệu tham khảo

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

Chư ơ ng 1 : Tổng quan về thông tin di động

Ở chương này, luận văn giới thiệu chung về thông tin di động:

lộ trình phát triển các hệ thống thông tin di động, lịch trình pháttriển mạng 3G WCDMA, kiến trúc và các kỹ thuật chính ở giaodiện vô tuyến mạng WCDMA R-99:

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)

Chương 2: Các đặc điểm tổng quan về HSPA

Giới thiệu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP, những thay đổi củaHSPA so với R99:

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

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

Hình 2.2 Các chức năng mới trong HSPA

HSDPA được xây dựng trên mạng WCDMA R99, chủ

yếu nhờ mở rộng giao diện vô tuyến của R99 nhằm nâng caokhả năng và hiệu năng truyền dữ liệu gói đường xuống về mặttốc độ dữ liệu đỉnh, giảm trễ và tăng dung lượng Để đạt đượcmục đích đó, một số kỹ thuật chính được đưa vào sử dụngtrong mạng HSDPA như: sử dụng kênh chia sẻ đường xuống,thích ứng đường truyền, điều chế bậc cao hơn, lập lịch phụthuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm

Cốt lõi của HSUPA cũng sử dụng hai công nghệ cơ sởnhư HSDPA: lập lịch nhanh và HARQ nhanh với kết hợpmềm Cũng giống như HSDPA, HSUPA sử dụng khoảng thờigian ngắn 2 ms cho TTI đường lên Các tăng cường này đượcthực hiện trong WCDMA thông qua một kênh truyền tải mới,

E-DCH (Enhanced Dedicated Channel: kênh dành riêng tăngcường).

Chương 3: Nghiên cứu chi tiết về HSUPA

Hoạt động của HARQ HSUPA dưới nguyên lý cơ sở cónhiều điểm giống với HSDPA trong thuật ngữ của sự kết hợptruyền lại Đối với đường kết nối trực tiếp là khác nhau, những

bộ đệm mềm được giữ bởi nút B thay cho thiết bị đầu cuối.Thiết bị đầu cuối sẽ giữ dữ liệu chưa được báo nhận trong bộnhớ Các bộ khởi động lớp MAC sẽ truyền lại nếu như lớp vật

lý cung cấp một NACK như đã nhận từ nút B trong dãy hoạtđộng của E-DCH Cả sự kết hợp mềm và sự gia tăng số dư đềucho phép đối với hoạt động HSUPA như nhau Sự khác nhau

cơ bản trong quy trình hoạt động là bản chất đồng bộ của quátrình HARQ HSUPA Khi một chức năng của TTI 2 ms hay 10

ms được sử dụng thì tất cả hoạt động giữ lại bộ định thời đượcxác định bao gồm số lượng các quá trình HARQ Với một TTI

10 ms thì ở đây sẽ có 4 quá trình HARQ và thời gian của quátrình được cố định trong khoảng 2 ms cửa sổ Cửa sổ là kết quả

từ dãy thước đo thời gian đối với sự liên kết kênh báo hiệuđường xuống đối với việc truyền dẫn dữ liệu đường lên Sự phụthuộc vào thời gian đường lên, kênh tín hiệu đường xuống đãđược đặt với độ chính xác 2 ms đối với điểm có thể bắt đầu

Bộ định thời của quá trình HARQ với TTI 10 ms được chỉ

ra trong hình 3.1 và có sự mô tả về bốn quá trình HARQ

Hình 3.1 Bộ định thời của HARQ trong HSUPA với

TTI 10ms

Ở đây không cần thiết phải cấu hình lại số lượng quátrình xử lý HARQ, nó chỉ ra một hướng dẫn thực hiện rất rõràng tới việc thực hiện nút B trong khái niệm về thời gian xử lýcần thiết để gặp tất cả trường hợp trên Yêu cầu thời gian xử lýnút B có kết quả xấp xỉ 14 ms Nếu lên đến 16 ms thì không thể

dễ dàng sử dụng để điều khiển trong mạng bao gồm tính diđộng Độ trễ tối đa đối với việc truyền lại một lần là 40 ms(bao gồm thời gian đợi/xử lý/báo hiệu và cộng với việc đưa vàoTTI đối với truyền lại) Với TTI 2 ms thì có 8 quá trình HARQ(được chỉ ra trong hình 3.2)

Việc sử dụng quá trình đồng bộ HARQ đã xóa đi sự cầnthiết phải biết thành phần của dòng dữ liệu (quá trình HARQđang được sử dụng như một trường hợp đối với HSDPA để chophép linh hoạt sự sắp xếp đường xuống) Với HSUPA, bộ địnhthời cho thấy chính xác với quá trình HARQ là chưa biết và sựcần thiết đưa vào duy nhất là dữ liệu mới hay là truyền lại Đây

là yêu cầu để phá hủy sự sai hỏng trong bộ đệm dẫn đến lỗi tínhiệu (lỗi đầu cuối ACK) hay đặc biệt là trong trường hợp

chuyển giao mềm, dẫn đến nút B không nhận biết ACK gửi đibởi nút B khác trong dãy hoạt động.

Hình 3.2 Bộ định thời của HARQ trong HSUPA với TTI

2ms

Việc điều khiển với một dãy các hoạt động lớn hơn 1dẫn đến việc kéo theo đầu vào đối với sự hoạt động củaHARQ Trong khi với HSDPA chỉ có một nút B được chứatrong việc điều khiển HARQ thì với HSUPA tất cả các nút Bđều tham gia vào Sự hoạt động của HARQ được thực hiệnbằng việc sử dụng nguyên lý tương tự dối với điều khiển côngsuất đường lên Nếu thành phần nút B riêng lẻ của dãy các hoạtđộng gửi một bản tin ACK thì thông tin sẽ được đưa đến lớpMAC cho biết ACK sẽ được nhận và lớp MAC sẽ chú ý truyềnthành công và dịch sang một gói khác Nguyên lý hoạt độngcủa HARQ trong chuyển giao mềm được chỉ ra trong hình 3.3.Khác với việc thực hiện nút B quá trình độc lập, thứ tự các góikhông thể được bảo đảm, chúng bị điều chỉnh bởi RNC Điềunày ảnh hưởng tới kiến trúc giao thức trong dạng phần tửMAC đưa vào trong RNC

Đối với NACK, từ sự ánh xạ các ô không được phục vụ

sẽ được xác định là một dãy 0 và kết quả NACK không thực

sự được phát đi từ các ô khác so với các ô phục vụ Nếu các ôphục vụ nằm trong chuyển giao mềm với các ô khác xác địnhthuộc về cùng dãy kết nối vô tuyến E-DCH do đó NACK đượcphát đi từ tất cả các ô để cho phép sự kết hợp bộ thu giống vớilệnh điều khiển công suất thu trong trường hợp chuyển giaomềm

Trong những chu kỳ không có dữ liệu truyền trênđường lên thì can nhiễu gây ra bởi UE là do DPCCH đường lênkhi cấu hình truyền một chuỗi dài E-DCH Bất kỳ giảm cáchoạt động không cần thiết nào của DPCCH sẽ làm giảm cannhiễu trực tiếp trên đường lên, từ đó giảm chi phí của hệ thốngtheo nghĩa giữ khả năng kết nối của UE Nếu xét về khía cạnhgiảm can nhiễu thì đây là cách tiếp cận tốt nhất nhờ việc tắt hếtDPCCH khi không có quá trình truyền dữ liệu Tuy nhiên, điềunày cũng ngụ ý một vấn đề về khả năng duy trì đồng bộ chođường lên cũng như hoạt động điều khiển công suất Từ đó,một vài khe DPCCH vẫn hoạt động ngay cả khi không có dữliệu truyền Lợi ích của điều này chính là duy trì đồng bộ vàduy trì điều khiển công suất chính xác Đây chính là ý tưởng cơbản của truyền dẫn không liên tục trên đường lên DTX

Về cơ bản, nếu không có truyền dẫn E-DCH trên đườnglên thì UE tự động dừng truyền DTX liên tục và truyền mộtcách ngắt quãng theo một chu kỳ UE DTX Chu kỳ UE DTXđược cấu hình trong UE và trong nút B bởi RNC, định ra khinào truyền DPCCH ngay cả khi không có E-DCH hoạt động

Chiều dài của DPCCH có thể được cấu hình DPCCHđược truyền bất cứ khi nào có sự hoạt động của E-DPDCH màkhông xem xét đến chu kỳ UE DTX.

Để thích ứng chu kỳ UE DTX với tính chất của lưulượng, có hai kiểu chu kỳ được định nghĩa: kiểu 1 và kiểu 2.Sau khi chắc chắn cấu hình chu kỳ không hoạt động cho E-DCH thì UE sẽ chuyển từ chu kỳ UE DTX kiểu 1 sang kiểu 2khi thường xuyên có ít sự kiện truyền dẫn DPCCH

Việc thu không liên tục trong nút B có thể nhờ sử dụngDTX cho đường lên từ đó có lợi trong việc tiết kiệm tài nguyên

xử lý trong nút B khi không phải xử lý liên tục tín hiệu từ tất cảngười sử dụng gửi đến Khi điều này có thể thì cấu hình mạng

UE cho phép truyền dẫn E-DCH chỉ bắt đầu trong một khungphụ Sau thời gian truyền E-DCH cuối cùng, việc cấm là cóhiệu lực và UE chỉ có thể truyền thông qua chu kỳ MAC DTX

Trong phiên bản 5, HSDPA đã thay đổi sự sắp xếpđường xuống từ RNC tới nút B để tạo ra quyết định sắp xếpvới thời gian chờ là tối thiểu gần với giao diện vô tuyến có thể

Sơ đồ với HSUPA có những điểm giống đối với đường lên vàthay đổi sự sắp xếp với nút B nhưng sự tương tự giữa sự sắpxếp của HSDPA và HSUPA ở cuối Với HSDPA, tất cả nguồncung cấp ô có thể được đưa trực tiếp tới người sử dụng riêng lẻtrên từng chu kỳ thời gian ngắn và bằng cách này có thể đạtđến tốc độ gói dữ liệu rất cao đối với mỗi UE riêng biệt nhưnglại tương thích ở đầu ra trong khoảng thời gian tiếp theo, khinguồn nút B được dùng để cung cấp một vài UE khác Đối vớiHSUPA thì không thể vì HSDPA là từ một tới nhiều kiểu sắpxếp, còn HSUPA là sự sắp xếp từ nhiều kiểu tới một kiểu

Nguồn công suất truyền dẫn đường lên của một ô được phân bốtới từng người sử dụng Để thực hiện một cách đơn giản, mỗi

UE có một bộ phát của chính nó và chỉ có thể phát đi dữ liệu từ

UE riêng biệt đó Chính vì thế trên đường lên, nguồn công suấttruyền dẫn của ô không chỉ được đưa đến từng UE đơn lẻ tạimột thời điểm và tới các UE khác ở một vài thời điểm khácnhưng người sử dụng phải có nguồn công suất phát của riêng

họ và chắc chắn là không thể chia sẻ Điều này cho thấy sự cầnthiết phải có mức độ cao hơn của sự sắp xếp đường lên songsong do đó việc tiếp cận kênh dành riêng có tính khả thi đối vớiHSUPA

Khi nghiên cứu những vấn đề trên, cân nhắc về sắp xếpHSUPA có thể quên lịch HSDPA và thay thế sắp xếp DCHnhanh nhất Nguồn chia sẻ của đường lên là nhiễu đường lêntăng lên hay tổng công suất thu thấy trong đầu thu nút B Mỗi

UE, trừ khi phát với công suất đầy đủ đều không thể dùng màchỉ thực hiện mình nguồn đó nhưng đây lại là ích lợi rất lớn đểbiết được số lượng nguồn ở mỗi một thời điểm mà mỗi UE đãdùng nhằm cố gắng giữ nguyên mức độ ảnh hưởng của nhiễutới mức tối đa

Giả sử tất cả các UE hoạt động, nếu muốn phát đi tại tất

cả các thời điểm với tốc độ dữ liệu cao nhất có thể Sau đó, bộlập lịch sẽ làm việc với đường lên Một công việc đơn giản đểnhận vào một người sử dụng mới và trong khi đó phải thu nhỏviệc phân phối (cấp phát) đối với người sử dụng cũ Do đó, nórất khác so với lịch của HSDPA nhưng trên thực tế vẫn còn rấtnhiều hệ thống phiên bản 99 đang hoạt động Khi chưa sẵnsàng cho phép đối với RNC, để lập lịch hoạt động dựa theo yêu