Nghiên cứu công nghệ HSPA và ứng dụng HSPA vào mạng di động 3G của VMS Mobifone

Bằng việc so sánh các khía cạnh của HSPA với công nghệ WCDMA của mạng di động 3G cũng như trình bày về kiến trúc hệ thống, cấu trúc kênh và các kỹ thuật chính được sử dụng như: Điều chế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THễNG

=====  =====

đồ án

tốt nghiệp đại học

Đề tài:

nghiên cứu công nghệ hspa

và ứng dụng hspa vào mạng di động 3g

của vms - mobifone

Người hướng dõ̃n : ThS lê thị kiều nga

Sinh viờn thực hiợ̀n : nguyễn thị thanh

Mó số sinh viờn : 0851080334

NGHỆ AN - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Ngyễn Thị Thanh Số hiệu sinh viên:0851080334

1 Đầu đề đồ án:

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Kiều Nga 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: ./ /20

Ngày tháng năm 2013

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Số hiệu sinh viên:0851080334 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Kiều Nga Cán bộ phản biện: 1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

(Ký, ghi rõ họ và tên)

LỜI CẢM ƠN

Vậy là hơn bốn năm học đã trôi qua, và giờ đây em đã là một sinh viên sắp ra trường Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện đó em đã gặt hái được những thành quả nhất định về kiến thức, đạo đức, nghị lực cũng như sự tự tin, bản lĩnh để vững bước hơn trong cuộc sống Có được những thành quả như ngày hôm nay, ngoài sự nổ lực tu dưỡng của bản thân thì sự quan tâm, chỉ bảo của thầy cô có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với em

Nhân cơ hội này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo trong trường Đại Học Vinh nói chung, Các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông nói riêng đã tận tâm, tận lực bằng tinh thần trách nhiệm của mình giảng dạy, dìu dắt

em giúp em có được những thành quả như ngày hôm nay

Và cuối cùng, em xin cảm ơn giảng viên ThS Lê Thị Kiều Nga đã tận tình

chỉ dạy, giúp đỡ em hoàn thành bài đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên Nguyễn Thị Thanh

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 6

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 1

1.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống di động 1

1.2 Các tiêu chuẩn của mạng di động 3G 4

1.3 Các tham số chính của WCDMA 5

1.4 Các kênh cơ bản của W-CDMA 6

1.5 Các bước cải tiến của công nghệ WCDMA 7

1.6 Kết luận chương 1 9

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HSPA 10

2.1 Tổng quan về công nghệ HSPA 10

2.2 Kiến trúc mạng 12

2.2.1 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 12

2.2.2 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 14

2.2.3 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6 15

2.2.4 Kiến trúc HSPA/WCDMA R7 16

2.3 Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) 18

2.3.1 Giới thiệu chung 18

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của HSDPA 20

2.3.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA 21

2.3.4 Cấu trúc kênh HSDPA 24

2.3.4.2 Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH 28

2.3.4.3 Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH) 32

2.3.5 Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA 35

2.3.5.1 Lập biểu phụ thuộc kênh 35

2.3.5.2 Điều chế và mã hóa thích ứng AMC 38

2.3.5.3 Kỹ thuật HARQ với kết hợp mềm 42

2.4 Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA) 47

2.4.1 Giới thiệu chung 47

2.4.2 Cấu trúc kênh HSUPA 49

2.4.2.1 Các kênh vật lý và kênh truyền tải E-DCH 49

2.4.2.2 Kênh dữ liệu vật lý dành riêng E-DCH (E-DPDCH) 51

2.4.2.3 Kênh điều khiển vật lý dành riêng E-DCH (E-DPCCH) 53

2.4.2.4 Kênh chỉ thị HARQ E-DCH (E-HICH) 54

2.4.2.5 Kênh cho phép tương đối E-DCH (E-RGCH) 56

2.4.2.6 Kênh cho phép tuyệt đối E-DCH (E-AGCH) 57

2.4.3 Các kỹ thuật sử dụng trong HSUPA 59

2.4.3.1 MAC-e và xử lý lớp vật lý 59

2.4.3.2 Lập biểu 61

2.4.3.3 HARQ với kết hợp mềm trong HSUPA 64

2.5 Kết luận chương 2 69

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI HSPA TẠI VMS 70

3.1 Hiện trạng triển khai HSPA tại Việt Nam 70

3.2 Tình hình triển khai HSPA tại VMS MobiFone 73

3.2.1 Cấu trúc mạng thông tin di động VMS-MobiFone 73

3.2.2 Phương án triển khai HSPA áp dụng công nghệ HSDPA tại VMS-MobiFone 75

3.2.3 Cơ sở triển khai mạng HSDPA tại MobiFone 76

3.2.4 Quá trình áp dụng công nghệ HSPA tại VMS 77

3.2.4.1 Giai đoạn thử nghiệm ban đầu 77

3.2.4.2 Tình hình triển khai HSPA sau thử nghiệm tại VMS 81

3.3 Kết luận chương 3 85

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KÊNH HSDPA BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 86

4.1 Mô phỏng đánh giá thông lượng hệ thống 86

4.2 Đánh giá tỉ lệ lỗi bit kênh truyền dùng HARQ 88

4.3 Kết luận chương 4 89

KẾT LUẬN CHUNG 90

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

PHỤ LỤC 91

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triểnnhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất Để đáp ứng nhu cầu về chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng không ngừng được cải tiến

Hiện nay các nhà mạng di động đang tập trung khai thác các công nghệ 3G, nhưng với nhu cầu đòi hỏi các dịch vụ tốc độ cao của con người thì việc phát triển công nghệ lên 4G sẽ không xa

Một trong những công nghệ được coi là bước đệm để hướng tới 4G chính là công nghệ 3,5G HSPA với hai công nghệ nền tảng HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (High Speech Uplink Packet Access: truy nhập gói đường lên tốc độ cao) HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng đường truyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm 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)

Trong khuôn khổ đồ án này, em đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc của công nghệ HSPA và triển khai HSPA tại VMS Đồ án gồm 4 chương:

Chương I : Tổng quan về các hệ thống thông tin di động 3G

Chương II : Công nghệ HSPA

Chương III: Triển khai HSPA tại VMS

Chương IV: Mô Phỏng thông lượng kênh đường xuống HSDPA

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ của Thầy, Cô, bạn bè

Sinh Viên Nguyễn Thị Thanh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong khuôn khổ đồ án này đi sâu tìm hiểu công nghệ HSPA là một công nghệ truyền dẫn không dây di động, gồm hai giao thức là HSDPA (Truy nhập gói tốc độ cao kênh đường xuống) và HSUPA (Truy nhập gói tốc độ cao đường lên) với cái nhìn tổng quan nhất Bằng việc so sánh các khía cạnh của HSPA với công nghệ WCDMA của mạng di động 3G cũng như trình bày về kiến trúc hệ thống, cấu trúc kênh và các kỹ thuật chính được sử dụng như: Điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm Để giúp chúng ta hiểu được tại sao HSPA lại là một công nghệ tiềm năng trong quá trình phát triển lên mạng di động 4G Đồ án cũng trình bày quá trình tìm hiểu thực tế áp dụng công nghệ HSPA của các nhà mạng di động ở nước ta đặc biệt là quá trình triển khai ở VMS – Mobifont Mặt khác, em cũng tiến hành mô phỏng thông lượng và tỷ lệ lỗi bít của kênh vật lý đường xuống HSDPA bằng phần mềm Matlab từ đó có thể tính được thông lương

và đánh giá chất lượng qua lý thuyết của HSDPA

ABSTRACT

In the framework this thesis studied in depth HSPA technology is a mobile wireless transmission technology, Consists of two protocols is HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) and HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) with an orview of the most By comparing aspects of HSPA and WCDMA technology of the 3G mobile network as well as presented about the system architecture, the channel structure and the main techniques used such as hight – level modulation, chanel dependent scheduling and HARQ with soft combining… To helf us understand Why HSPA is a potential technology in the development of 4G mobile networks The project also presented the process of fact-finding application HSPA technology of the mobile network in our country especially in the deployment process in VMS - Mobifont Besides, I also conducted a simulation throughput and bit error rate of HSPA downlink physical channel using Matlab software which can calculate throughput and quality assessment through HSDPA theories

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ baAMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

ARQ Automatic Repeat-Request Yêu cầu phát lại tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

DPCCH Dedicated Physycal Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêngDPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuổi trực tiếp

E - AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối tăng

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khển riêng tăng cườngE-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cườngEIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị

E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel Kênh cho phép tương đối tăngFDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia tần sốHS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ

caoIEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000 Thông tin di động quốc tế 2000

Iu Giao diện được sử dụng để thông tin giữa RNC và mạng lõi

Iub Giao diện được sử dụng để thông tin giữa Node B và RNC

Iur Giao diện để thông tin giữa RNC với nhau

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

R-SGW Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SIM Subscriber Identity Module Modul nhận dạng thuê bao

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gianTDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA Time Division Mulptiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianTFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải

TFCI Transport Format Combination

T-SGW Transport Signalling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầuUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đấtUMTS

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access Tương hợp truy nhập vi ba toàn cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các bước phát triển mạng thông tin di động [1] 2

Bảng 1.1 So sánh các công nghệ và tốc độ truyền dữ liệu 3

Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống WCDMA 6

Hình 1.2 Cấu trúc kênh của WCDMA 6

Hình 2.1 Lộ trình phát triển của HSPA theo 3GPP 11

Hình 2.2 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1) 11

Hình 2.3 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện khác nhau 12

Hình 2.4 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 [4] 13

Hình 2.5 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 [4] 15

Hình 2.6 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6 [4] 16

Hình 2.7 Kiến trúc HSPA/WCDMA với 1 đường hầm trực tiếp 17

Hình 2.8 Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ 18

Hình 2.9 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDM 19

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của HSDPA [3] 20

Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp[3] 21

Hình 2.11 Kiến trúc giao thức người dùng trong HSDPA 22

Hình 2.12 Cấu trúc lớp MAC – hs 23

Hình 2.13 Giao diện vô tuyến của HSDPA 24

Hình 2.15 Điều khiển công suất phát kênh HS-SCCH 27

Hình 2.16 Sơ đồ giải thuật điều khiển công suất kênh HS-SCCH 28

Hình 2.17 Cấu trúc khung kênh HS-DSCH 29

Hình 2.18 Quá trình mã hóa kênh HS-DSCH 30

Hình 2.19 Bộ mã hóa Turbo và đục lỗ [3] 31

Hình 2.20 Cấu trúc khung HS-DPCCH 33

Hình 2.21 Định thời kênh HS-DPCCH [3] 34

Bảng 2.2 Mã hóa các bản tin báo nhận ACK/NACK 34

Hình 2.22 Quá trình mã hóa kênh HS-DPCCH 34

Hình 2.23 Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA 35

Hình 2.24 Nguyên lý lập biểu phụ thuộc kênh 36

Bảng 2.3 Phân loại các thiết bị đầu cuối HSDPA 38

Hình 2.25 Nguyên lý thích ứng kênh truyền 41

Bảng 2.5 Các giá trị CQI cho UE loại 10 41

Hình 2.26 Cơ chế phát lại của R99 và HSDPA [3] 43

Hình 2.28 Kết hợp kiểu Chase 46

Hình 2.29 Kết hợp kiểu tăng phần dư 47

Hình 2.30 Kiến trúc HSUPA được lập cấu hình E-DCH [3] 49

Hình 2.31 So sánh quá trình xử lý kênh truyền tải của HSUPA và R3DCH [3] 50

Bảng 2.6 Nấc tốc độ bit kênh vật lý cho DPDCH và E-DPDCH 51

Bảng 2.7 So sánh các đặc tính giữa DPDCH và E-DPDCH 52

Hình 2.32 Cấu trúc khung E-DPDCH 53

Bảng 2.8 Định dạng khe của E-DPCCH 53

Hình 2.33 Cấu trúc khung E-DPCCH 54

Hình 2.34 Mã hóa E-DPCCH 54

Bảng 2.9 Chuyển đổi ACK/NAK vào giá trị kênh 55

Hình 2.35 Cấu trúc khung E-HICH/E-RGCH 55

Bảng 2.10 Chuyển đổi bản tin điều khiển công suất tương đối vào giá trị E-RGCH 57

Hình 2.36 Ghép các kênh E-HICH và E-RGCH 57

Hình 2.37 Cấu trúc mã hóa E-AGCH 58

Hình 2.38 Cấu trúc khung vô tuyến E-AGCH [3] 59

Hình 2.39 MAC-e và xử lý lớp vật lý 60

Hình 2.40 Tổng quan hoạt động lập biểu [3] 63

Hình 2.41 HARQ đồng bộ và HARQ không đồng bộ [3] 66

Hình 2.42 Nhiễu xử lý HARQ cho HSUPA [3] 67

Hình 2.43 Ví dụ về các phát lại trong chuyển giao mềm [1] 68

Bảng 3.1 Phân vùng hình thái phủ sóng 76

Bảng 3.2 Tỷ lệ thuê bao 3G và HSDPA dự kiến 77

Bảng 3.3 Các thông số tiêu chuẩn cho thử nghiệm cho chuẩn giao tiếp WCDMA FDD .78

Bảng 3.4 Các thông số tiêu chuẩn cho thử nghiệm cho chuẩn giao tiếp WCDMA TDD .78

Bảng 3.5 So sánh giải pháp mà Alcatel và Ericsson đưa ra 78

Bảng 3.6 Cấu hình hệ thống cho 5 trung tâm chính 81

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng 86

Hình 4.3 Thông lượng hệ thống với kênh Rayleigh 88

Hình 4.4 Tỉ lệ lỗi bit với môi trường AWGN 88

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Trong chương này trình bày một số đặc điểm về lịch sử phát triển của các hệ thống điện thoại di động, Đi vào tìm hiểu về mạng di động 3G, các nền tảng công nghệ của HSPA như WCDMA UMTS, trình bày về các ứng dụng và hạn chế, cải tiến của công nghệ 3G để từ đó có sự so sánh giữa công nghệ sử dụng trước đó và công nghệ HSPA mà em đang nghiên cứu

1.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống di động

Thế hệ điện thoại di động đầu tiên (1G) ra đời trên thị trường vào những năm 70/80 Đấy là những điện thoại anolog sử dụng kỹ thuật điều chế radio gần giống như kỹ thuật dùng trong radio FM Trong thế hệ điện thoại này, các cuộc thoại không được bảo mật Thế hệ 1G này còn thường được nhắc đến với "Analog Mobile Phone System (AMPS)" Mốc thời gian đánh dấu sự ra đời của 2G, điện thoại kỹ thuật số (digital) là đầu những năm 90 Chuẩn kỹ thuật số đầu tiên là D-AMPS sử dụng TDMA (Time division Mutiple Access) Tiếp theo sau là điện thoại 2G dựa trên công nghệ CDMA ra đời Sau đó Châu Âu chuẩn hóa GSM dựa trên TDMA Cái tên GSM ban đầu xuất phát từ "Groupe Speciale Mobile" (tiếng Pháp), một nhóm được thành lập bởi CEPT, một tổ chức chuẩn hóa của Châu Âu, vào năm

1982 Nhóm này có nhiệm vụ là chuẩn hóa kỹ thuật truyền thông di động ở bãng tầng 900MHz Sau đó,GSM được chuyển thành Global System for Mobile Communication vào năm 1991 như là một tên tắt của công nghệ nói trên

Năm 2001, để tăng thông lường truyền để phục vụ nhu cầu truyền thông tin (không phải thoại) trên mạng di động, GPRS đã ra đời GPRS đôi khi được xem như là 2.5G Tốc độ truyền data rate của GSM bằng 9.6Kbps GPRS đã cải tiến tốc

độ truyền tăng lên gấp 3 lần so với GSM, tức là 20-30Kbps GPRS cho phép phát triển dịch vụ WAP và internet (email) tốc độ thấp

Tiếp theo sau, 2003, EDGE đã ra đời với khả năng cung ứng tốc độ lên được 250Kbps (trên lý thuyết) EDGE còn được biết đến như là 2.75G (trên đường tiến tới 3G)

Cụm từ điện thoại di động 3G ngày nay đã trở nên quen thuộc với người

dùng di động 3G là viết tắt của third-generation technology là chuẩn và công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền ngoài dữ liệu chuẩn là đàm thoại còn có thể truyền dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, nhạc, internet ) Công nghệ 3G vừa cho phép triển khai những dịch vụ cao cấp vừa làm tăng dung lượng của mạng điện thoại nhờ vào việc sử dụng hiệu quả hiệu suất phổ.

Hình 1.1 Các bước phát triển mạng thông tin di động [1]

Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video hoặc khả năng truy nhập internet thường được xem là một ví dụ tiêu biểu về dịch vụ cao cấp mà các nhà cung cấp dịch vụ muốn cung cấp cho khách hàng Tuy nhiên tần số vô tuyến nói chung là một tài nguyên đắt đỏ, giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ euro cho chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển

hạ tầng cơ sở IT quốc gia được đặt ưu tiên cao

Nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi là Nhật Bản khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, mạng 2G đang dần biến mất tại Nhật Bản

Với 3G, chúng ta sẽ có một số tên gọi liên quan như: công nghệ (nền tảng) 3G, mạng 3G, chuẩn 3G Công nghệ 3G và chuẩn 3G có thể coi là một, trong khi mạng

3G là mạng di động ứng dụng những công nghệ 3G Trước đây, chuẩn 3G là một chuẩn đơn lẻ, duy nhất và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Tuy nhiên, càng

về sau này, 3G càng được phân chia thành nhiều chuẩn khác khác, tuỳ thuộc vào khả năng nghiên cứu của các nhà cung cấp dịch vụ Trong tương lai không xa, có thể là một hoặc hai ba năm nữa, mạng di động sẽ trở thành một mạng truyền dữ liệu tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng Để có thể thực hiện được các khả năng này, mạng di động phải dựa vào những nền tảng công nghệ mới – 3G, 3,5G

và 4G – hay còn gọi là các nền tảng công nghệ di động tương lai

Bảng 1.1 So sánh các công nghệ và tốc độ truyền dữ liệu

- 1xEV-DO

Từ144Kbps − 2Mbps

- Video chất lượng cao

- Video theo yêu cầu (VOD)

- Video hội họp

1.2 Các tiêu chuẩn của mạng di động 3G

đã trình đặc tả này lên Hiệp hội truyền thông quốc tế (ITU) và xin công nhận dưới danh nghĩa một thành viên của chuẩn 3G quốc tế có tên IMT-2000 ITU đã chấp nhận W-CDMA là thành viên của IMT-2000 và sau đó chọn W-CDMA là giao diện nền tảng cho UMTS

UMTS: UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM UMTS do tổ chức 3GPP quản lý 3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các chuẩn mạng di động như GSM, GPRS và EDGE Sự phát triển liên tục các tiêu chuẩn kỹ thuật trên được thể hiện bằng 4 mô thức về tiêu chuẩn UMTS của tổ chức 3GPP là: R99, R4, R5 và R6, tạo thành một bộ tiêu chuẩn đồ sộ nhưng trong nó lại gồm những hệ tiêu chuẩn tương đối độc lập WCDMA là một tiêu chuẩn về giao diện không gian đầu tiên, sớm nhất và hoàn thiện nhất trong các hệ tiêu chuẩn đó và được các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thông ở cả 3 châu lục: Âu, Á, Mỹ

sử dụng rộng rãi UMTS cũng là dòng công nghệ chiếm thị phần lớn nhất trên thị trường thông tin di động ngày nay (chiếm tới 85,4% theo GSA 8-2007)

Hiện nay, mạng UMTS có thể nâng cấp lên High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) - còn được gọi với tên 3,5G HSDPA cho phép đẩy nhanh tốc độ tải đường xuống với tốc độ lên tới 10 Mbps

1.3 Các tham số chính của WCDMA

WCDMA là hệ thống sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp Nghĩa là luồng thông tin được trải trên một băng thông rộng bằng việc nhân luồng dữ liệu này với một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN Để có thể hỗ trợ việc truyền dữ liệu ở tốc độ cao, hệ số trải phổ (SF) thay đổi và kết nối dựa trên nhiều mã trải phổ được hỗ trợ trong WCDMA

Tốc độ chip sử dụng trong WCDMA có tốc độ 3.84 Mps tương ứng với băng tần truyền dẫn WCDMA là 5 MHz (đối với CDMA2000 băng tần truyền dẫn có thể

là 3x1.25 Mhz hoặc 3.75 MHz) Băng thông truyền dẫn lớn của WCDMA ngoài việc nhằm hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao còn mang lại một vài ưu điểm khác như: tăng hệ số phân tập đa đường

WCDMA hỗ trợ truyền dẫn tốc độ thay đổi, hay nói cách khác là khái niệm

sử dụng băng thông theo nhu cầu có thể được thực hiện Trong một khung truyền dẫn thì tốc độ dữ liệu là cố định Tuy nhiên tốc độ dữ liệu giữa các khung truyền dẫn khác nhau có thể giống nhau hoặc khác nhau

WCDMA có hai chế độ hoạt đông đó là FDD và TDD Đối với FDD thì các cặp tần số sóng mang với độ rộng 5 MHz được sử dụng cho kênh truyền dẫn hướng lên và hướng xuống một cách tương ứng Trong khi đó ở chế độ TDD thì chỉ có một sóng mang độ rộng 5 MHz được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống theo kiểu phân chia theo thời gian TDD được sử dụng ở giải băng tần không chia cặp được

Các BTS trong WCDMA (Node B) hoạt động ở chế độ không đồng bộ Do

đó không cần cung cấp một nguồn đồng hồ đồng bộ cho tất cả các BTS trong mạng

ví dụ như sử dụng GPS Chế độ làm việc không đồng bộ này giúp cho WCDMA trở nên dễ triển khai ở cấu hình indoor và micro cell

WCDMA sử dụng tách sóng nhất quán trên cả hai hướng lên và xuống sử dụng các ký hiệu dẫn đường Chế độ tách sóng này đã được sử dụng trên đường xuống đối với mạng 2G IS-95

WCDMA được thiết kế để có thể triển khai bên cạnh hệ thống GSM thế hệ 2 Nghĩa là WCDMA có thể hỗ trợ chuyển giao giữa hai hệ thống WCDMA và GSM nhằm đảm bảo có một sự dịch chuyển mềm dẻo khi triển khai mạng 3G-WCDMA

Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống WCDMA

Gold 241

Chuyển giao khác tần số

1.4 Các kênh cơ bản của W-CDMA

Hình 1.2 Cấu trúc kênh của WCDMA

Từ hình 1.2 cho ta cái nhìn tổng quan về các kênh được sử dụng trong WCDMA gồm 3 kênh cơ bản:

RRC

Lớp MAC

Lớp Vật lý

Kênh Vật lýKênh Truyền tảiKênh logic

Lớp 1

Lớp 2

Lớp 3

- Kênh logic

- Kênh truyền tải

- Kênh vật lý- Kênh logic: Miêu tả loại thông tin sẽ được truyền đi Mặc dù gọi là "kênh" nhưng nó không phải là kênh theo giống nghĩa như kênh vật lý, kênh vận tải Kênh logic có thể hiểu là những công việc mà mạng và thiết bị cầnphải thực hiện tại những thời điểm khác nhau Các kênh logic này cũng có thể xem như là dịch vụ mà lớp MAC cung cấp cho lớp RLC ở trên nó

Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: Kênh điều khiển ( BCCH, PCCH, DCCH, CCCH, SHCCH) và kênh lưu lượng( DTCH, CTCH)

- Kênh vận tải: Qui định bằng cách nào và với đặc trưng gì thông tin sẽ được truyền đi Đây là dịch vụ mà lớp vật lý cung cấp cho lớpMAC ở trên nó

Kênh truyền tải mang các thông số, đặc tính cần thiết để truyền tải các thông tin dữ liệu qua mạng Các kênh truyền tải được hình thành nhờ việc sắp xếp các kênh logic Có 2 loại kênh truyền tải :

+ Kênh truyền tải riêng DCH: mang thông tin điều khiển cho riêng một MS với mang DCH-UL, DCH-DL

+ Kênh truyền tải chung CCH : dùng chung cho tất cả các MS

- Kênh vật lý: Chính là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi Kênh vật lý được quản lý và xử lý tại lớp vật lý Việc xử lý ở đây thực hiện những kỹ thuật biến đổi cần thiết nhằm tương thích đặc tính truyền dẫn vô tuyến và đảm bảo chất lượng tín hiệu cao nhất Kênh vật lý chia làm hai loại kênh chính:

+ Kênh đường lên gồm DPDCH (truyền dữ liệu), DPCCH (truyền báo hiệu)

và một kênh truy cập chung RACH

+ Kênh đường xuống gồm kênh vật lý điều khiển chung CCPCH, kênh đồng bộ SCH (cung cấp định thời cho MS), và kênh PRACH (mang thông tin suy xuất mạng)

Việc phân ra các loại kênh khác nhau giống việc phân lớp trong mạng, giúp cho dễ quản lý và điều khiển Cứ ứng với mỗi loại thông tin kèm theo những đặc trưng của nó, mạng sẽ tự động truy cập vào các kênh tương ứng để gửi thông tin

đi một cách hiệu quả nhất

1.5 Các bước cải tiến của công nghệ WCDMA

Các dịch vụ di động 3G giúp người tiêu dùng và các nhà chuyên nghiệp trải nghiệm chất lượng thoại ưu hạng, cùng với rất nhiều dịch vụ dữ liệu hấp dẫn như:

• Kết nối Internet di động

• Email di động

• Các dịch vụ đa phương tiện, như ảnh kỹ thuật số và phim được thu và chia

sẻ qua các thiết bị cầm tay di động

• Download các ứng dụng di động

• Video-theo-yêu cầu

• Chơi game online

• Các dịch vụ khẩn cấp và định vị nâng cao

• Các dịch vụ nhắn tin bấm-để-nói và bấm-để-xem video có thời gian chờ thấp

Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA và CDMA2000 đang được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới Tính đến thời điểm tháng 12 năm 2005 đã có hơn 160 hệ thống 3G được đưa vào sử dụng trên phạm vi 75 quốc gia với tổng số thuê bao lên đến 230 triệu Tuy ở phiên bản đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cải thiện đáng kể Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps Nhưng khi các dịch vụ số liệu được đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thì dung lượng, tốc độ vẫn là những đòi hỏi cần phải được giải quyết Do đó, bước cải tiến đầu tiên đối với WCDMA được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-DSCH ở R5 được hoàn thành vào đầu năm 2002 Những cải tiến trong R5 này thường được nhắc đến với một tên gọi "HSPA- Kênh truy nhập tốc độ cao" Sự ra đời của HSPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming Truy nhập dữ liệu kênh đường xuống tốc độ cao HSDPA có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn 50% so với kênh DCH/DSCH trong R99 với trường hợp Marcrocell và 100% đối với Microcell, tốc

độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14 Mbps Qua thực tế triển khai các mạng di động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ số liệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn trên hai hướng từ MS đến Node B và ngược lại có tốc độ tương đương nhau như các dịch vụ real-time gaming và các dịch vụ trên nền TCP/IP Trong khi đó, R5 mới chỉ đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫn bất đối xứng với tốc độ truyền dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so với kênh đường lên Nhược điểm này của R5 được khắc phục trong R6 được hoàn thành vào đầu năm 2005 với tên

gọi cải tiến kênh đường lên và là bước cải tiến thứ 2 đối với chuẩn mạng truy nhập

vô tuyến WCDMA Những cải tiến trong R6 đã nâng tốc độ truyền dẫn trên kênh đường lên đạt đến tốc độ 5.76 Mbps dung lượng kênh tăng lên gấp 2 lần so với kênh truyền tải đường lên trong R99 Ba mục tiêu chính của hai bước cải tiến trong R5 và R6 đó là:

- Nâng cao tốc độ truyền dẫn trên cả hai hướng

- Tăng dung lượng của mạng trên một đơn vị tài nguyên vô tuyến định trước

- Giảm trễ truyền dẫn cho cả hai hướng

Mục tiêu thứ 3 được thực hiện thông qua việc đưa một số chức năng lớp MAC đến gần hơn với giao diện vô tuyến Ví dụ như chuyển chức năng truyền dẫn lại từ RNC đến Node B Hơn thế nữa giảm thời gian của khung truyền dẫn cũng là một giải pháp để giảm trễ Cụ thể khung thời gian truyền dẫn TTI của kênh DCH trong R99 là từ 10-80 ms trong khi đó khoảng thời gian này được giảm xuống còn 2

ms trong HS-DSCH của R5 Hoặc như với kênh đường lên cải tiến trong R6, ngoài

hỗ trợ khung truyền dẫn 10 ms ở phiên bản trước, khung truyền dẫn 2 ms cũng được

sử dụng trong phiên bản này nhằm đạt được mục tiêu thứ 3 nếu trên

Mục tiêu 1 và 2 được thực hiện thông qua kỹ thuật thích ứng kênh bao gồm thay đội tỷ lệ mã của mã sửa lỗi kênh, chọn chùm tín hiệu điều chế phù hợp với điều kiện kênh truyền, điều khiển thu phát theo sự thay đổi của kênh truyền dẫn Điểm đáng chú ý là tăng ích của kỹ thuật thích ứng kênh không chỉ mạng lại lợi ích cho các nhà vận hành mạng như ở các phiên bản trước mà còn mang lại lợi ích cho khách hàng sử dụng các máy di động có tính năng xử lý tín hiệu tốt Lợi ích này còn

là xúc tác cho việc đẩy nhanh tốc độ tiêu thụ các sản phẩm máy di động cầm tay công nghệ cao của các nhà sản xuất

Ngoài ra, tự động yêu cầu truyền dẫn lại cũng là một trong ba kỹ thuật then chốt được sử dụng tại lớp vật lý để đạt được cả 3 mục tiêu đã nêu trên thông qua việc tận dụng kết thúc truyền dẫn sớm, được xử lý tại node B gần với giao diện vô tuyến

1.6 Kết luận chương 1

Như vậy trong chương 1 em đã trình bày một cách tổng quát nhất về các hệ thống thông tin di động, đi vào nghiên cứu các chỉ tiêu công nghệ đã được áp dung, các đặc tính kỹ thuật đặc trưng của mạng di động 3G để có cái nhìn toàn diện hơn

về hệ thống tạo tiền đề để đi sâu vào nghiên cứu chi tiết các đặc điểm kỹ thuật của công nghệ HSPA trong chương II

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HSPA

Trong chương này tập trung nghiên cứu các khía cạnh của HSPA bằng việc nghiên cứu hai công nghệ then chốt là HSDPA và HSUPA đi vào tìm hiểu các vấn đề như kiến trúc mạng, nguyên lý hoạt động, cấu trúc kênh, Các kỹ thuật được áp dụng cho các công nghệ này để từ đó tìm ra được bước cải tiến của HSPA so với WCDMA và giúp chúng ta hiểu được tại sao HSPA lại là một công nghệ tiềm năng trong quá trình phát triển lên mạng di động 4G

2.1 Tổng quan về công nghệ HSPA

Mặc dù công nghệ 3G WCDMA hiện nay cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mbps Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống WCDMA có một số hạn chế như:

- Không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói vốn rất phổ biến đối với đường trục hữu tuyến

- Thiết kế dịch vụ 2Mbps hiện nay là không hiệu quả và cũng chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu

- Không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps

Công nghệ HSPA ra đời, là một bước cải tiến đáng kể trong mạng 3G nhằm giải quyết các hạn chế của các chuẩn công nghệ 3G WCDMA trước đó cũng như đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ của người sử dụng

HSPA (High-Speed Packet Access) là công nghệ truyền dẫn không dây di động, gồm hai giao thức HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và HPUSA (High Speed Uplink Packet Access) Mục tiêu của HSPA là mở rộng giao diện vô tuyến của WCDMA, tăng cường hiệu năng và dung lượng (tốc độ số liệu đỉnh cao) của WCDMA Để đạt mục tiêu này, HSPA sử dụng một số kĩ thuật như: điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm…

Quá trình phát triển HSPA thể hiện qua quá trình phát triển các phiên bản

hệ thống 3GPP như sau:

Hình 2.1 Lộ trình phát triển của HSPA theo 3GPP

HSPA (High Speed Packet Access) truy nhập gói tốc độ cao bao gồm truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Downlink Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002 và truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA: High Speed Uplink Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 vào tháng 12 năm 2004 Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại năm 2007

Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, và đạt đến trên 14,4Mbps năm 2008 Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps và đạt đến 4-5,7 Mbps vào năm 2008 Phiên bản HSPA+ đang tiếp tục được hoàn thiện và tốc độ tiếp tục được cải thiện cao hơn

HSPA được triển khai trên WCDMA trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao hơn

Mô hình triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang (f1) với WCDMA như hình 2.2 Để nâng cấp WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC và RNC

Phát hành 7 R7 09/06

Phát hành

8 R8

Các phát hành tiếptheo

Lịch trình nghiên cứu trong 3GPP

Thương mại 3GPPR3 3GPP R5 3GPP R6 3GPP R7 3GPP R8

Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384kbps cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện là khác nhau hình 2.3 minh họa điều này Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên hai thiết bị người sử dụng UE (UE: User Equipment) tại thiết bị người sử dụng chỉ xảy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.

Hình 2.3 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện khác nhau.

2.2 Kiến trúc mạng

HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+ Do

đó để thấy được kiến trúc mạng HSPA ta xét cấu trúc của nó trong các phát hành của WCDMA

2.2.1 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3

WCDMA/UMTS R3 là phiên bản đầu tiên của UMTS, nó hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói Trong miền CS tốc độ bít thông tin lên đến 384 Mbps và trong miền PS là 2Mbps Đảm bảo yêu cầu roamming giữa mạng 2G và 3G Sử dụng lại đa phần mạng lõi của hệ thống GSM/GPRS hiện tại, giảm thiểu chi phí đầu tư cũng chính là tiền đề cho việc đưa ra những dịch vụ tiên tiến với giá thành rẻ đảm bảo khả năng cạnh tranh trên thị trường tốt và có thể thực hiện triển khai nhanh chóng Có khả năng cung cấp dịch vụ truyền thống của mạng 2G cũng như các dịch vụ tiên tiến

gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanh chất lượng cao và tốc độ truyền cao tại đầu cuối Hình 2.4 mô tả cấu trúc mạng UMTS theo Phiên bản R3.

Hình 2.4 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 [4]

Thiết bị đầu cuối trong WCDMA R3 không chỉ đơn thuần dành cho thiết bị điện thoại truyền thống mà còn bao gồm các thiết bị truy cập các dịch vụ số liệu mới Nhằm tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay Thiết

bị đầu cuối bao gồm các thành phần TE, ME, USIM như trên hình vẽ RNC-Radio Network Controller: Bộ điều khiển mạng vô tuyến chức năng giống BSC của mạng GSM Nó kết nối tới một hoặc nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo mật và tính toàn vẹn dữ liệu Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khóa bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9 Node B

có chức năng giống BTS trong GSM với nhiệm vụ thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu Bên cạnh đó nó còn thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong" Điều này cho phép nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần Node B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho Node B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối Mạng lõi (CN) gồm ba miền: miền PS, miền CS và HE Miền PS đáp ứng các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác và miền

CS đáp ứng các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM Các Node B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường

sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP

2.2.2 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4

Hình 2.5 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G WCDMA R4 Sự khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) MSC server chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản

lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC

và MSC Server Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên giao thức Internet (IP) Từ hình 2.5 ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC

đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP Cả số liệu và tiếng đều

có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi Rất nhiều giao thức được sử dụng bên trong mạng lõi là các giao thức trên cơ sở gói sử dụng hoặc IP hoặc ATM

Tuy nhiên mạng phải giao diện với các mạng truyền thống qua việc sử dụng các cổng các phương tiện Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW) Đây là cổng mà

ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn) Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP Bộ giao thức này được gọi là Sigtran

Hình 2.5 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 [4]

Phiên bản R4 hoàn toàn tương thích được với R3 (R99): Các đầu cuối không thay đổi và không cần nâng cấp vì chúng nâng cấp các khả năng và dịch vụ hoàn toàn giống R3 Bởi vậy hệ thống này tiết kiệm giá thành, tích hợp, linh hoạt và tiến hóa Lý do tiết kiệm giá thành vì IP tỏ ra là một công nghệ chuyển mạch rẻ hơn so với mạng lõi chuyển mạch thời gian 64Kbps và ATM Ngoài ra các mã đa tốc độ thích ứng tốc độ thấp (khả biến từ 5 đến 12 Kbps) trong mạng này không cần phải biến đổi vào 64Kbps và ngược lại tại bộ chuyển đổi mã như trước kia Mạng R4 cho phép thực hiện linh hoạt quá trình này Việc thực hiện các vùng CS và PS trong cùng một mạng lõi vì thế tăng tính linh hoạt và cho phép tích hợp giám sát và điều khiển các chức năng

2.2.3 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6

Bước phát triển tiếp theo của UMTS là đưa ra kiến trúc mạng đa phương tiện

IP (hình 2.6) Kiến trúc này được xây dựng trên các công nghệ gói và điện thoại IP cho đồng thời các dịch vụ thời gian thực và không gian thực Kiến trúc này thể hiện

sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi, đó là lưu lượng thoại và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng Trên hình 2.6 cho thấy chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng Điểm nổi bật của kiến trúc toàn IP là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE Trong thực tế, UE hỗ trợ giao

thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol) UE trở thành một tác nhân của người sử dụng SIP Như vậy, UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem) là điểm mới của R5 và R6 Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP Nó gồm phần tử sau: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function), Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function), chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function), Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) và Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway)

HSPA được biết đến với việc hỗ trợ đường xuống tốc độ cao HSDPA trong R5

và HSUPA trong R6 Công nghệ này dựa trên nền tảng kiến trúc mạng WCDMA nhằm tăng cường dung lượng mạng và giảm thời gian trễ đối với các dịch vụ tương tác

Hình 2.6 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6 [4]

2.2.4 Kiến trúc HSPA/WCDMA R7

Từ phát hành R7 trong kiến trúc HSPA/WCDMA có một đường hầm trực tiếp trong mạng 3G để tối ưu hóa lưu lượng cho các dịch vụ không dây băng rộng, đường hầm trực tiếp này sẽ cung cấp một kênh dữ liệu trực tiếp từ RNC đến GGSN trong R7, điều này giúp tăng topo mạng một cách linh hoạt và cải thiện độ trễ

Dữ liệu người sử dụng được dự kiến tăng đáng kể trong một vài năm tới do sự xuất hiện của HSPA và các hệ thống con IP đa phương tiện Hiện tại trong UMTS lưu lượng dữ liệu gói cần phải đi qua 2 node trong mạng lõi đó là SGSN và GGSN

Từ phát hành R7 3GPP cho thấy một khả năng của các hệ thống UMTS có thể đạt được bởi một đường hầm trực tiếp giữa RNC với GGSN hay giữa node B với GGSN (trong HSPA+) Bằng việc sử dụng một đường hầm trực tiếp, các chức năng điều khiển và truyền tải trong SGSN được tách ra, kết quả là GGSN có thêm các chức năng phân phối mới Lúc này GGSN chịu trách nhiệm truyền tải phần lớn các lưu lượng của mạng

Kiến trúc HSPA với một đường hầm trực tiếp có một số lợi ích:

- Tất cả các tài nguyên truyền dẫn đều được chia sẻ điều này làm giảm đáng

kể chi phí khi các yêu cầu về phần cứng của SGSN giảm

- Tất cả mặt phẳng truyền tải dữ liệu chỉ được điều khiển bởi GGSN và không gắn với phân bố địa lý của các người sử dụng

- Khả năng mở rộng mặt phẳng người sử dụng: Khi lưu lượng dữ liệu người dùng tăng, tài nguyên truyền dẫn chỉ cần bổ xung vào GGSN

Hình 2.7 Kiến trúc HSPA/WCDMA với 1 đường hầm trực tiếp

R7

Node B với các chức RNC

2.3 Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA)

2.3.1 Giới thiệu chung

HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)-truy cập gói đường xuống tốc độ cao, là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triển trên cơ sở của

hệ thống 3G WCDMA, được tối ưu-hóa cho các ứng dụng dữ liệu chuyển mạch gói

Các tính năng kỹ thuật của công nghệ HSDPA gồm:

• Tương đương với CDMA2000 1xEV (HDR)

• Điều chế và mã hoá thích ứng

• Sóng mang tốc độ dữ liệu cao (HDRC) trong băng tần 5MHz

• 64 QAM hỗ trợ tốc độ đỉnh tương đương 7.2 Mbps

• Các kỹ thuật được sử dụng cho phép HSDPA hỗ trợ tốc độ 10 Mbps

• Trong một hệ thống dữ liệu và thoại được tích hợp với người sử dụng thoại (12.2 Kbps) tải khoảng 30 Erl/sector và thông lượng sector của dữ liệu vấn khoảng 1Mbps

Hình 2.8 Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ

Công nghệ HSDPA hiện nay cho phép tốc độ download đạt đến 1.8 Mbps, 3.6Mbps, 7.2 Mbps và 14.4 Mbps, và trong tương lai gần, tốc độ hiện nay có thể được nâng lên gấp nhiều lần– đưa đến một hiệu quả sử dụng tốt hơn Các thuê bao dịch vụ HSDPA có thể nhận email với tập tin đính kèm mang dung lượng lớn, lướt web hoặc tải

về các tập tin đa phương tiện hoặc văn bản nhanh hơn bao giờ Mặc dù có thể truyền tải bất cứ dạng dữ liệu nào, song mục tiêu chủ yếu của HSDPA là dữ liệu dạng video và nhạc

Khái niệm HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA, sử dụng các phương pháp chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong W-CDMA được gọi là HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Kênh truyền tải này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện download với tốc độ vượt trội Và đây là một kênh chuyên dụng cho việc download Điều đó cũng có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồn đến điện thoại Song quá trình ngược lại, tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến một nguồn tin thì không thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA Công nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các người dùng có sử dụng sóng radio, sóng cho hiệu quả download nhanh nhất

Ngoài ra HSDPA còn sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng AMC, HARQ nhanh, và lập lịch gói (Packet Scheduling) nhanh Những tính năng này được phối hợp chặt chẽ và cho phép thích ứng các tham số truyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến

Hình 2.9 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDM

Công Nghệ WCDMA cơ bản

HSDPAAMC

H-ARQ

TTI=2ms

Cải tiến PS

Chuyển giao mềm

Không thuộc HSDPA

Công suất điều khiểnBiến thiên SF

Phát triển trên HSDPA

Hệ thống

đa mã

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của HSDPA

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của HSDPA [3]

HSDPA gồm các giải pháp:

+ Thực hiện đan xen thời gian truyền dẫn ngắn TTI=2ms

+ Mã hoá và điều chế thích ứng AMC

+ Truyền dẫn đa mã, lớp vật lý tốc độ cao L1

+ Yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ

Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời

Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một chỉ thị chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời Đồng thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng

UE trong một cell, Thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng

Vấn đề chúng ta cần quan tâm là chất lượng kênh đường truyền của mỗingười sử dụng độc lập và cách xác định nó Ví dụ như: tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp nhiếu ( tỷ số Es/No), chất lượng bộ tách UE Nút B có thể ước lượng tốc độ

dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát theo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao ( HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận / không chấp nhận (Ask / Nask) ở dạng gói dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau

Lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC – Medium Access Control) được đặt tại nút B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn So sánh với kỹ thuật DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hoá Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS- DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ

120 Kbps tới hơn 10Mbps Quá trình điều chế và mã hoá thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và được mở rộng hơn nữa số đa mã khả dụng

Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp[3]

(1 mã )

Tốc độ dữ liệu (5 mã)

Tốc độ dữ liệu (15 mã)

Kiến trúc có thể được xác định bao gồm phần người dùng, xử lý dữ liệu người dùng và phần điều khiển Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC: Radio Resource Control) trong phần điều khiển xử lý tất cả báo hiệu liên quan đến cấu hình các kênh, quản lý tính di động mà người dùng không thấy được

Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP : Packet Data Convergence Protocol) có chức năng chính là nén header và không liên quan đến dịch vụ chuyển mạch kênh Nén header là cần thiết vì header không nén trong giao thức IP có kích thước lớn gấp 2 tới 3 lần so với kích thước header đã nén

Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC: Radio Link Control) điều khiển phân mảnh và truyền lại cho cả dữ liệu người dùng và dữ liệu điều khiển RLC có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau là :

- Chế độ trong suốt : không có overhead được thêm vào Chế độ này không thích hợp khi kênh truyền tải của HSDPA và HSUPA được sử dụng

- Chế độ không có báo nhận : không truyền lại lớp RLC Chế độ này được dùng với những ứng dụng cho phép sự mất gói như VoIP nhưng không cho phép trễ - Chế độ báo nhận : có truyền lại lớp RLC Chế độ này phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tất cả gói tin truyền đi mà không có sự thất thoát

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC : Medium Access Control) trong phiên bản R99 tập trung vào phân bố kênh logic và điều khiển ưu tiên cũng như sự lựa chọn tốc độ dữ liệu, sự lựa chọn định dạng truyền tải Chuyển mạch kênh truyền tải cũng là một chức năng lớp MAC

Hình 2.11 Kiến trúc giao thức người dùng trong HSDPA

Trong cấu trúc HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều

Giao thức khung

Truyền tải

RLC MAC - d Giao thức khung

Truyền tải

Iu

khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.

Nếu như tất cả các kênh truyền tải theo kiến trúc R99, chúng đều chấm dứt tại RNC thì kênh HS-DSCH lại chấm dứt ngay tại Node B nhằm mục đích điều khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC-hs (lớp điều khiển truy cập trung gian tốc độ cao), sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này và nằm ngay tại Node B Do đó, cho phép nhận các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể tiếp tục theo dõi giám sát chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho thuê bao tốc độ thấp Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại diễn ra nhanh hơn

Hình 2.12 Cấu trúc lớp MAC – hs

Đặc biệt hơn, lớp MAC – hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng HARQ cho mỗi user, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên của chúng ( ví dụ như lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thích hợp cho mỗi TTI (ví dụ như thích ứng liên kết) Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải tiến truyền tải của các kênh logic

Lớp MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối ưu hóa dung lượng bộ nhớ đệm của Node B

Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một chỉ thị chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở

Header filds

MAC- hs payload

dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời Đồng thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE trong một cell, Thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng

2.3.4 Cấu trúc kênh HSDPA

Hình 2.13 Giao diện vô tuyến của HSDPA

Tài nguyên chung của người sử dụng trong ô tế bào bao gồm các bộ mã kênh

và công suất phát Khái niệm HSDPA được giới thiệu bao gồm một số kênh vật lý thêm vào:

- Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS – DSCH ( High Speed Downlink Shared Channel)

- Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS – SCCH (High Speed Shared Control Channel)

- Kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH (HS-Physical Control Channel)