Nghiên cứu công nghệ HSDPA và ứng dụng vào mạng mobifone1

A AAL2 ATM Adaptation Layer type 2 Lớp thích ứng ATM loại 2 AMR Adaptive multirate speech codec Đa tốc độ thích ứng mã hoá thoại ARQ Automatic repeat request Yêu cầu phát lại tự động AT

NGUYỄN VĂN TUẤT

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HSDPA VÀ ỨNG

DỤNG VÀO MẠNG MOBIFONE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG 3G VÀ SAU 3G 11

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin IMT-2000 11

1.1.1 Lịch sử phát triển 13

1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000 13

1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G 15

1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM 16

1.3.1 GPRS 17

1.3.2 EDGE 18

1.3.3 WCDMA 20

1.4 Hướng phát triển tiếp theo của WCDMA 22

1.4.1 HSDPA 24

1.4.2 HSUPA 25

1.4.3 HSPA+ 25

1.4.4 3G-LTE 26

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HSDPA 27

2.1 Giới thiệu công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao 27

2.1.1 Nguyên lý 28

2.1.2 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA 30

2.1.3 Cấu trúc phân lớp HSDPA 32

2.1.3.1 Giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH 32

2.1.3.2 Cấu trúc kênh mới trong HSDPA 33

2.2 Các tính năng tiên tiến trong công nghệ HSDPA 36

2.2.1 Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích ứng AMC 36

2.2.2 Định trình nhanh 37

2.2.3 Phát lại nhanh HARQ 39

2.2.4 Thích ứng liên kết nhanh 41

2.3 Cấu trúc lớp vật lý HSDPA 44

2.3.1 Kênh chung đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) 45

2.3.1.1 Điều chế HS-DSCH 46

2.3.3 Kênh điều khiển lớp vật lý dành riêng tốc độ cao hướng lên 51

2.3.4 Thủ tục hoạt động lớp vật lý HSDPA 52

2.4 Dung lượng đầu cuối HSDPA và các tốc độ dữ liệu đạt được 55

2.5 Di động với HSDPA 58

2.5.1 Phép đo Tế bào HS-DSCH tốt nhất 58

2.5.2 Chuyển giao từ HS-DSCH tới HS-DSCH Node B 59

2.5.3 Chuyển giao HS-DSCH tới HS-DSCH liên Node B (Inter-Node B) 61

2.5.4 Chuyển giao HS-DSCH tới DCH 62

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HSDPA VÀO MẠNG WCDMA MOBIFONE 64 3.1 Lợi ích đối với nhà khai thác và người sử dụng 64

3.1.1 Lợi ích Đối với nhà khai thác 64

3.1.2 Lợi ích Đối với người sử dụng 65

3.1.3 Tình hình triển khai công nghệ HSDPA và thiết bị đầu cuối di động HSDPA trên thế giới .66

3.1 4 Bài học kinh nghiệm trong việc triển khai /thử nghiệm công nghệ HSDPA 67

3.2 Khảo sát đánh giá hiện trạng mạng MobiFone 68

3.2.1 Cấu trúc mạng thông tin di động VMS-Mobifone 68

3.2.2 Đánh giá hiện trạng mạng Mobifone 72

3.2.2.1 Đánh giá tình hình phát triển thuê bao 72

3.2.2.2 Đánh giá cấu trúc mạng 72

3.2.2.3 Đánh giá về năng lực mạng 74

3.3 Phương án ứng dụng công nghệ HSDPA vào mạng WCDMA MobiFone 74

3.3.1 Các bước chuẩn bị cho triển khai 3G WCDMA mạng Mobifone 75

3.3.2 Phương án triển khai mạng truy nhập WCDMA áp dụng công nghệ HSDPA tại mạng Mobifone 77

3.3.2.1 Các cơ sở cho việc tính toán triển khai mạng HSDPA: 77

3.4 Một số ứng dụng công nghệ HSDPA vào mạng WCDMA MobiFone đã được triển khai và cung cấp dịch vụ 82

3.4.1 Dịch vụ Mobile TV 82

3.4.2 Dịch vụ Mobile Interner (Fast connect) 83

KẾT LUẬN ……… 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Văn Tuất, học viên lớp cao học Điện tử- Viễn thông, khoá

2008 – 2010, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn hoàn toàn là kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân tôi trên cơ sở hướng dẫn khoa học của TS.Phạm Văn Bình, giảng viên khoa Điện tử -Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong luận văn tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và có liệt kê đầy đủ trong mục tài liệu tham khảo Luận văn không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình

A

AAL2 ATM Adaptation Layer type

2

Lớp thích ứng ATM loại 2

AMR Adaptive multirate (speech

codec)

Đa tốc độ thích ứng (mã hoá thoại)

ARQ Automatic repeat request Yêu cầu phát lại tự động ATM Asynchronous transfer mode Chế độ truyền không đồng bộ

B

BCCH Broadcast channel (logical

channel)

Kênh quảng bá (Kênh logic)

BCH Broadcast channel (transport

channel)

Kênh quảng bá (Kênh truyền tải)

BSS Base station subsystem Hệ thống con trạm gốc

BSC Base station controller Bộ điều khiển trạm gốc

C

CCH Common transport channel Kênh truyền tải chung

CDMA Code division multiple access Đa truy nhập chia theo mã CFN Connection frame number Số khung kết nối

CIR Carrier to interference ratio Tỉ lệ sóng mang trên nhiễu

CPCH Common packet channel Kênh gói chung

CPICH Common pilot channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel quality indicator Bộ chỉ thị chất lượng kênh CRC Cyclic redundancy check Mã kiểm tra lỗi CRC

CRNC Controlling RNC RNC điều khiển

CTCH Common traffic channel Kênh lưu lượng chung

D

DCA Dynamic channel allocation Cấp phát kênh động

DCCH Dedicated control channel

Kênh dữ liệu vật lý dành riêng

DSCH Downlink shared channel Kênh chia sẻ đường xuống DTCH Dedicated traffic channel Kênh lưu lượng dành riêng

E

EDGE Enhanced data rates for GSM Hệ thống EDGE

evolution

F

FCS Fast cell selection Lựa chọn Cell nhanh

FDMA Frequency division multiple

access

Đa truy nhập chia theo tần số

FTP File transfer protocol Giao thức truyền file

communications

Hệ thống thông tin di động GSM

channel

Kênh chia sẻ đường xuống tốc

độ cao HS-SCCH High speed shared control

IS-95 cdmaOne, one of the 2nd

generation systems, mainly in Americas and in Korea

Tiêu chuẩn mạng 2G-CDMA, chủ yếu phát triển ở Mỹ và Hàn Quốc

scheme

Khuôn dạng điều chế và mã hoá

MIMO Multiple input multiple output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều

MSC/VLR Mobile services switching

centre/visitor location register

Tổng đài MSC/bộ đăng ký tạm trú

N

NBAP Node B application part Phần ứng dụng Node B

NRT Non-real time Dịch vụ phi thời gian thực

O

OFDMA Orthogonal frequency

division multiple access

Đa truy nhập chia theo tần số trực giao

P

PCCCH Physical common control

channel

Kênh vật lý điều khiển chung

PCCH Paging channel (logical

channel)

Kênh tìm gọi (kênh logic)

PCCPCH Primary common control

physical channel

Kênh vật lý điều khiển chung

cơ bản PCH Paging channel (transport

channel)

Kênh tìm gọi (kênh truyền tải)

PLMN Public land mobile network Mạng di động mặt đất công

cộng PSTN Public switched telephone

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature phase shift keying Điều chế QPSK

SCH Synchronisation channel Kênh đồng bộ

SGSN Serving GPRS support node Node hỗ trợ GPRS phục vụ SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SS7 Signalling System #7 Hệ thống báo hiệu số 7

T

TDMA Time division multiple access Đa truy nhâp chia theo thời

gian TTI Transmission time interval Khoảng thời gian phát

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính .14

Hình 2 Tuỳ chọn các phương án chuyển đổi từ GSM và CDMA IS-95 .14

Hình 3 Kế hoạch triển khai phát triển mạng cdmaOne 16

Hình 4 Triển khai GPRS trên nền mạng GSM 18

Hình 5 Triển khai EDGE 20

Hình 6 Minh hoạ cấu trúc mạng UMTS R99 .21

Hình 7 Lộ trình phát triển cho các hệ thống của 3GPP 24

Hình 8 Kiến trúc mạng của 3GPP LTE 26

Hình 9 Hiệu quả phổ HSDPA 27

Hình 10 Độ trễ tín hiệu trên đường truyền đối với các công nghệ khác nhau 28

Hình 11 Mô tả đơn giản nguyên lý hoạt động của HSDPA .29

Hình 12 So sánh HSDPA với WCDMA 30

Hình 13 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH 32

Hình 14 Các kênh vật lý cho HSDPA .34

Hình 15 Chia sẻ thời gian và mã 34

Hình 16 Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA 35

Hình 17 Ưu thế của định trình ở Node B (tham khảo: Nokia) 37

Hình 18 Truyền dẫn tới các user với điều kiện vô tuyến thuận lợi 38

Hình 19 Hoạt động của giao thức SAW 39

Hình 20 Gói dữ liệu thu 40

Hình 21 Phát lại gói dữ liệu 41

Hình 22 Năng lượng bit tín hiệu nhận được trên mật độ phổ tạp âm so với tỉ lệ dữ liệu đỉnh (PDR-Peak Data Rate) trên mã Hình vẽ bao gồm dung lượng Shannon lý thuyết và dung lượng theo kết quả mô phỏng mức liên kết tại BLER=10%, người dùng đi bộ với tốc độ 3km/h .43

Hình 23 Số mã tối ưu và MCS là một hàm của Eb/No của mỗi TTI Giả thiết chất lượng kênh lý tưởng, người dùng đi bộ, tốc độ 3km/h .43

Hình 24 Ví dụ ghép mã hai đối tượng sử dụng 45

Hình 25 Các chùm sao 16 QAM và QPSK 46

Hình 26 Chuỗi mã kênh HS-DSCH 47

Hình 29 Cấu trúc HS-DPCCH 52

Hình 30 Định thời đầu cuối đối với một quá trình xử lý HARQ 54

Hình 31 Mối quan hệ định thời HS-SCCH và DPCH hướng lên .55

Hình 32 Phép đo tế bào HS-DSCH 59

Hình 33 Ví dụ của chuyển giao từ HS-DSCH tới HS-DSCH Node B .60

Hình 34 Chuyển giao HS-DSCH tới HS-DSCH liên Node B 61

Hình 35 Chuyển giao HS-DSCH tới DCH 62

Hình 36 So sánh thời gian trễ của 2,5G; WCDMA, và HSDPA 86

Hình 37 Sự phát triển các dịch vụ theo các công nghệ 86

Hình 38 Sử dụng công suất không có và có sử dụng HSDPA .87

LỜI MỞ ĐẦU

Nếu như thập kỷ 90 của thế kỷ trước được xem là thành công của hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, thì bước sang những năm đầu của thế kỷ 21, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) bắt đầu được phát triển và ứng dụng thương mại một cách mạnh mẽ Sự hội tụ giữa thoại

và dữ liệu nhằm đáp ứng ngày càng tăng nhu cầu của người sử dụng là một tất yếu Chính vì vậy các hệ thống thông tin di động tiếp theo như 3G, 3.5G, 4G được nghiên cứu và ứng dụng thương mại một cách sâu rộng không ngoài đáp ứng mục tiêu

đó

Năm 2002, lần đầu tiên hệ thống truyền thông di động toàn cầu UMTS (WCDMA) được giới thiệu và dần được thương mại hóa Tốc độ lý thuyết của UMTS tối đa đạt được là 2Mbps Thực tế, hệ thống này chỉ cung cấp được các dịch vụ dữ liệu với chất lượng cao ở tốc độ 384kbps 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 lần lượt được nghiên cứu và ứng dụng thương mại Các tổ chức viễn thông quốc

tế cũng như một số nhà khai thác thông tin di động hàng đầu trên thế giới tiếp tục nghiên cứu, đề xuất và thử nghiệm các công nghệ của mình Điển hình là công nghệ truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA) công nghệ này cho phép nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu của hệ thống UMTS HSDPA được nhóm hợp tác thế hệ thứ

ba (3GPP) phát triển trong phiên bản Rel’5, có thể nâng cao tốc độ dữ liệu đường xuống lên tới 14,4 Mbps (lý thuyết) cũng như gia tăng dung lượng của hệ thống

Công nghệ HSDPA là bước phát triển đầu tiên của WCDMA và là một phần của hướng phát triển cải tiến 3G trong họ công nghệ GSM Ưu điểm cơ bản của công nghệ này là chất luợng người sử dụng đầu cuối sẽ được nâng lên cho tất cả các dịch vụ hiện nay và cũng dễ dàng đáp ứng được các dịch vụ mới được triển khai

Ở Việt Nam, một số nhà khai thác đã thử nghiệm thành công và trong giai đoạn đầu triển khai các hệ thống 2,75G (EDGE) hay 3G (cdma2000 EV-DO, WCDMA) Tuy vậy, việc nghiên cứu các công nghệ HSDPA cho các hệ thống di động tiếp theo là vấn đề cần làm Trong khuôn khổ luận văn, tác giả muốn trình bày những khái niệm cơ bản cũng như một số kỹ thuật chính của công nghệ HSDPA

Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương:

Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ HSDPA

Chương 3: Giới thiệu ứng dụng công nghệ HSDPA vào mạng MobiFone

Kết luận: Đưa ra một số kết luận và nhậ xét cụ thể

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian còn hạn chế, cuốn luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả xin chân thành cảm ơn và mong nhận được những

ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

ABSTRACT

Contents concentrate on research on 3G, HSDPA, architecture of mobile communication systems The focus is to understand HSDPA technology and core network when apply 3G and HSDPA Therefore, we can understand itinerary to 3G, HSDPA that can have high bit rate for download link My thesis has 3 chapters:

Chapter 1: Going on to 3G and after 3G (3,5G)

This chapter will show the history of telecommunication and introduce the

IMT-2000, and then show the development to 3G of CDMA technology and GSM technology and the next generation of 3G are HSDPA, HSUPA, HSPA+ and 3G-LTE Chapter 2: Introduction to HSDPA technology (advantage to WCDMA and GSM) This chapter will introduce HSDPA technology: the theory, and innovation from WCDMA and architecture of layer in HSDPA, This chapter also introduce the new functions of HSDPA technology and the physical architecture of HSDPA, capacity of user equipment and data rate that it can reach And the last one is the mobility in HSDPA, this section will discus about cell HS-DSCH, handover from HS-DSCH to HS-DSCH in NodeB, handover from HS-DSCH to HS-DSCH inter NodeB, and handover from HS-DSCH to HS-DCH

Chapter 3: The application to mobile network of MobiFone in VietNam

This chapter will introduce the detail plan to apply HSDPA to WCDMA network

of Mobifone This section will analyze the useful of the operator and subscriber and then show detail the current of HSDPA and user equipment in the world And then this chapter will analyze current network of Mobifone to make plan for application HSDPA to network And the last one is introduction 2 application of HSDPA for the subscribers of Mobifone are Mobile TV and Mobile Internet (Fast connect)

MẠNG 3G VÀ SAU 3G 1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động và giới thiệu hệ thống thông tin IMT-2000

1.1.1 Lịch sử phát triển

Ngày nay, khi nói đến thông tin di động mọi người đều biết đến 3 thế hệ thông tin di động Thế hệ thứ nhất, 1G là hệ thống di động tương tự hoặc bán tương tự (đường vô tuyến là tương tự, và sử dụng hệ thống chuyển mạch số) Hệ thống này được xây dựng vào những năm 80, ví dụ như hệ thống NMT (Nordic Mobile Telephone) và AMPS (American Mobile Phone System) Những hệ thống thông tin di động 1G cung cấp các dịch vụ cơ bản chủ yếu là thoại và các dịch vụ liên quan đến thoại Các hệ thống di động thế hệ thứ nhất được phát triển trong phạm vi quốc gia, những yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống này chủ yếu được xây dựng trên cơ sở thoả thuận giữa các nhà điều hành viễn thông của chính phủ với các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông mà không

có hệ tiêu chuẩn phổ biến rộng rãi Do vậy, các hệ thống thông tin di động 1G không

có khả năng tương thích lẫn nhau

Do yêu cầu thông tin di động ngày càng tăng đặc biệt là nhu cầu cần có một hệ thống

di động toàn cầu Các tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế bắt đầu xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai - 2G Mục tiêu chủ yếu của hệ thống 2G là khả năng tương thích và đồng nhất trong môi trường quốc tế Hệ thống phải có khả năng phục vụ trong một khu vực (ví dụ khu vực châu Âu), mọi người sử dụng phải có khả năng truy nhập

hệ thống ở bất kỳ nơi nào trong khu vực đó Theo quan điểm người sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn

có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ xung khác Do các tiêu chuẩn chỉ thực hiện được trong phạm vi khu vực, khái niệm thông tin di động toàn cầu không thể thực hiện được và trên thị trường tồn tại một số hệ thống di động 2

G, tiêu biểu như: GSM, IS 95 và PDC Trong số đó hệ thống GSM dược phổ biến rộng rãi nhất

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, 3G ra đời với mục tiêu là thực hiện một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới Khác với các dịch vụ được cung cấp bởi những hệ thống thông tin di động hiện nay chủ yếu là thoại (công nghệ tương

tự là đặc trưng hệ thống thế hệ thứ nhất, công nghệ số là đặc trưng của hệ thống thế hệ thứ 2), hệ thống 3G nhằm vào các dịch vụ băng rộng như truy nhập Internet tốc độ cao, truyền hình và ảnh chất lượng cao tương đương mạng hữu tuyến Có thể nói rằng, khái niệm ITM-2000 (trước đây gọi là FPMLTS) được ITU đưa ra theo mô hình từ trên xuống Trước tiên, các yêu cầu về dịch vụ và chất lượng được đưa ra, sau đó các

tổ chức chuẩn hoá và các nhà công nghiệp, khai thác sẽ tiến tới thiết kế mạng đáp ứng các yêu cầu này

1.1.2 Hệ thống thông tin di động 3G theo IMT-2000

Một số yêu cầu chính về IMT-2000 được ITU đề ra như sau:

ƒ Tốc độ truyền dữ liệu cao 144kbps hoặc 384kbps cho vùng phủ rộng ngoài trời và 2Mbps cho vùng phủ hẹp trong nhà

ƒ Chất lượng thoại tương đương mạng hữu tuyến

ƒ Hỗ trợ cả dịch vụ chuyển mạch kênh và gói, truyền dữ liệu không đối xứng

ƒ Có thể cung cấp cả dịch vụ di động và cố định

ƒ Có khả năng chuyển vùng quốc gia và quốc tế, hỗ trợ cấu trúc cell nhiều lớp

ƒ Cơ cấu tính cước mới theo dung lượng truyền thay cho thời gian như hiện nay ITU-R đã phát triển bộ chỉ tiêu kỹ thuật IMT-2000 IMT-2000 được tạo ra nhằm thoả mãn việc phát triển các tiêu chuẩn cho phép thiết lập một cơ sở hạ tầng thông tin vô tuyến toàn cầu bao gồm các hệ thống mặt đất và vệ tinh và các truy nhập cố định và di động cho các mạng công cộng và cá nhân

Để có thể hiểu thấu đáo quá trình chuẩn hóa của các công nghệ thông tin di động 3G

và sau 3G, điều kiện tiên quyết là nắm được quá trình phát triển của các công nghệ theo từng giai đoạn Phần tiếp theo sẽ tập trung vào quá trình phát triển từ 2G lên 3G

và sau 3G theo hai nhánh chính: hướng tới cdma2000 và hướng tới WCDMA Hình 1 tóm tắt quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính này

NMT (900)

GSM (900) GSM (1800)

GSM (1900) IS-136 (1900)

IS-95 (J-STD-008) (1900)

IS-136 TDMA (800) IS-95 CDMA (800) iDEN (800)

cdma2000 Mx

3G 2.5G

2G 1G

Hình 1 Quá trình phát triển lên 3G của 2 nhánh công nghệ chính

Sau đây, chúng tôi trình bày chi tiết hai phương án chuyển đổi được quan tâm nhất là

từ GSM và CDMA 95 Các phương án chuyển đổi từ hai mạng GSM và CDMA

IS-95 được tóm tắt trong Hình 1 và được chi tiết hóa trong Hình 2sau đây

GSM

HSCSD GPRS

GPRS

UMTS

không UMTS

EDGE

Hình 2 Tuỳ chọn các phương án chuyển đổi từ GSM và CDMA IS-95

1.2 Nâng cấp từ CDMA IS-95 (cdmaOne) lên 3G

Cấu trúc của hệ thống CDMA IS-95 này cũng giống như các hệ thống cellular khác, nghĩa là giống cấu trúc GSM đã trình bày ở trên Hệ thống CDMA IS-95 có những đặc điểm chính sau đây:

CDMA IS-95 được tối ưu hoá cho việc triển khai ở Mỹ để khắc phục những nhược điểm của hệ thống tương tự AMPS thế hệ thứ nhất Hệ thống hoạt động ở cùng băng tần với hệ thống AMPS dùng song công phân tần FDD, độ rộng kênh 25kHz Băng tần đường lên và xuống sử dụng băng 869MHz đến 894MHz và 824 MHz đến 849MHz tương ứng Máy di động hỗ trợ hoạt động CDMA trên các kênh AMPS từ 1013 đến

1023, 1 tới 311, 356 tới 644, 689 tới 694 và 739 tới 777 Các kênh CDMA được xác định bằng tần số và chuỗi mã 64 hàm Walsh được dùng để phân biệt kênh đường xuống, còn các tập bù mã PN dài được dùng để phân biệt các kênh đường lên Các đặc tính điều chế và mã hoá được cho trong bảng sau:

Bảng 1 Đặc tính điều chế và mã hóa của IS-95 CDMA

ChËp víi m· Viterbi 20-ms

Chi tiết về mã hoá và điều chế một kênh đường xuống và đường lên khác nhau Tín hiệu hoa tiêu được phát trong mỗi cell để giúp máy thu phát vô tuyến di động thâm nhập và bám tín hiệu đường xuống từ cell

Các nhà khai thác mạng cdmaOne muốn có được các khả năng mạng mới cho xử lý dữ liệu để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng có thể khai thác tốt các thế hệ công nghệ hiện tại cũng như tương lai Với sự phát triển mạnh công nghệ những năm gần đây, Internet và Intranet đã trở thành các công cụ thiết yếu của hoạt động kinh doanh hàng ngày Chính vì vậy các doanh nghiệp có khuynh hướng muốn thiết lập được các văn

của mình Hơn nữa, việc phát triển công nghệ để cung cấp các tin tức và thông tin cần thiết trực tiếp tới đầu cuối di động cũng có một tiềm năng lớn là tạo ra nhiều nguồn doanh thu mới cho nhà khai thác

Hình 3 Kế hoạch triển khai phát triển mạng cdmaOne 1.3 Hướng phát triển theo nhánh WCDMA từ GSM

Có rất nhiều lựa chọn cho phép nhà khai thác phát triển mạng GSM hiện có của mình Tuy nhiên, GPRS là bước triển khai làm thay đổi mạnh mẽ cấu trúc mạng thông tin di động với phần chuyển mạch gói trong mạng lõi IP phục vụ hiệu quả các dịch vụ dữ liệu đến tốc độ trung bình Để có thể cung cấp dịch vụ 3G một cách đầy đủ (tốc độ dữ liệu tới 2Mbps) thì việc triển khai hệ thống WCDMA mới là tất yếu

Bên cạnh đó, có một lựa chọn cho phép nhà khai thác GSM có thể tối ưu hoá việc phát triển của mình, đó là công nghệ EDGE với những cải tiến về máy thu phát vô tuyến (tập trung vào phần mạng truy nhập vô tuyến) cho phép cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc

độ cao hơn và tăng dung lượng hệ thống mà không làm thay đổi lớn tới cấu trúc mạng

di động

Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng cơ

sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM Quá trình phát triển về dịch vụ

IS-95BIS-

và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS và cuối cùng tiến lên mạng WCDMA

1.3.1 GPRS

Điều kiện đặt ra là nhà khai thác đã phải có một mạng GSM rộng khắp Nhu cầu dịch

vụ dữ liệu của thuê bao chủ yếu là các dịch vụ dữ liệu tốc động trung bình (tới 115 kbps) Hạ tầng mạng đã triển khai là rất lớn, nhà khai thác muốn tận dụng tối đa hạ tầng hiện có cho dịch vụ dữ liệu

GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên tắc chuyển mạch gói GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối, cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X.25 Về kỹ thuật, hệ thống mạng truy nhập của GSM được giữ nguyên và chỉ cần nâng cấp phần mềm Cụ thể BTS, BSC phải được nâng cấp phần mềm, MS phải có chức năng GPRS phân hệ mạng lõi được bổ xung thêm phần chuyển mạch gói với hai nút chính: nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cồng GPRS (GGSN) Bằng cách này, với nâng cấp không đáng kể, hệ thống có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu gói cho thuê bao di động rất thích hợp với các dịch vụ dữ liệu không đối xứng.Với nhà khai thác GSM khi họ triển khai GPRS cần thực hiện:

Bảng 2 Thực hiện triển khai GPRS

Thực hiện

Mới ƒ Mạng lõi chuyển mạch gói(SGSN, GGSN )

ƒ Giao diện mới Gb giữa BSC-SGSN Điều chỉnh ƒ Phần cứng và phần mềm BSC, tính cước

Dùng lại

ƒ Phổ tần đang sử dụng

ƒ Mạng lõi chuyển mạch kênh (MSC/HLR/AuC)

ƒ Giao diện vô tuyến (MS-BTS)

ƒ Giao diện (BSC-MSC)

Hình 4 Triển khai GPRS trên nền mạng GSM

1.3.2 EDGE

Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công nghệ EDGE EDGE là một một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gần hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của các nhà khai thác TDMA và GSM So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vô tuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã hoá tiên tiến khác Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóng mang 200 kHz có thể đạt được là 473,6 kbps

Việc qui hoạch mạng vô tuyến sẽ ít bị ảnh hưởng khi triển khai công nghệ EDGE Cụ thể, các BTS được tiếp tục sử dụng, các nút chuyển mạch gói GPRS cũng không bị ảnh hưởng do chức năng độc lập với tốc độ bit của thuê bao Toàn bộ thay đổi đối với các nút chuyển mạch của mạng chỉ là việc nâng cấp phần mềm Thiết kế cũng cho phép đầu cuối EDGE nhỏ gọn và giá cạnh tranh được

Các kênh truyền dẫn trong EDGE cũng thích hợp cho các dịch vụ GSM và không có

sự phân biệt giữa dịch vụ EDGE, GPRS hay GSM Xét trên quan điểm nhà khai thác thì các dịch vụ EDGE nên triển khai trước tiên cho các khu vực nóng sau đó mở rộng dần theo nhu cầu cụ thể Việc nâng cấp phần cứng BSS theo công nghệ EDGE có thể

Thay HW& SW cho GPRS

ISDN PSDN PSPDN

HLR/AuC/EIR V

A S

i n

GPRS Packet Core SGSN GGSN

Internet

mạng số liệu khác

PSTN

Thêm mới

quan niệm như nâng cấp và mở rộng mạng để đáp ứng phát triển thuê bao thông thường Khả năng 3G băng rộng có thể thực hiện từng bước bằng cách triển khai dần giao diện vô tuyến mới 3G trên mạng lõi GSM hiện tại Điều này bảo đảm an toàn đầu

tư và chính sách khách hàng cho nhà khai thác

Đối với các nhà khai thác có giấy phép cho băng tần mới 2 GHz thì có thể triển khai IMT-2000 cho các khu vực phủ sóng sớm có nhu cầu lớn nhất về các dịch vụ 3G Đầu cuối hai chế độ EDGE/IMT-2000 sẽ cho phép thuê bao thực hiện chuyển vùng và chuyển giao giữa các hệ thống So với phương án xây dựng mạng 3G hoàn toàn mới thì việc phát triển dần trên mạng GSM sẽ nhanh chóng và rẻ tiền hơn Các bước trung gian GPRS và EDGE cũng có thuận lợi là phát triển tiếp lên 3G dễ dàng

Thực tế, việc tăng tốc độ dữ liệu trên giao diện vô tuyến đòi hỏi thiết kế lại các phương thức truyền dẫn vật lý, khuôn dạng khung, giao thức báo hiệu tại các giao diện mạng khác nhau Do vậy, tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể về tốc độ dữ liệu để lựa chọn phương

án nâng cấp hệ thống nhằm tăng tốc độ dữ liệu trên các giao diện A-bis

Với các nhà khai thác GSM/GPRS khi triển khai EDGE thực hiện:

Bảng 3 Thực hiện triển khai EDGE

Thực hiện

Mới ƒ Điều chế, mã hoá, máy thu phát vô tuyến

Điều chỉnh ƒ Phần cứng và phần mềm, nâng cấp mạng lõi

gói, Dùng lại ƒ Độ rộng băng sóng mang, qui hoạch mạng vô

tuyến

Hình 5 Triển khai EDGE

1.3.3 WCDMA

Điều kiện trển khai là nhu cầu dịch vụ dữ liệu chiếm phần lớn trong lưu lượng Để triển khai mạng một cách nhanh chóng và hiệu quả, hệ thống phải tương thích ngược với mạng lõi GSM-MAP của GSM Chung hệ thống báo hiệu, đầu cuối di động có thể chuyển vùng với hệ thống GSM hiện có Điều này đòi hỏi phải có máy cầm tay hai chế

Bảng 4 Thực hiện triển khai WCDMA

Thực hiện

Mới ƒ Giao diện vô tuyến WCDMA (UE Node B)

ƒ Giao diệnmạng truy nhập vô tuyến RAN (Iub (Node

ISDN PSDN PSPDN X25 CSPDN

i n

RNC) và Iur(RNC-RNC))

ƒ Giao diện mạng lõi: Iu (MSC-RNC và SGSN-RNC) Điều chỉnh ƒ MSC và SGSN cho giao diện Iu

ƒ Nâng cấp mạg lõi Dùng lại ƒ Mạng lõi chuyển mạch kênh (HLR-AuC)

ƒ Mạng lõi chuyển mạch gói (GGSN)

Hình 6 Minh hoạ cấu trúc mạng UMTS R99

Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phương pháp điều chế QPSK, cung cấp tốc độ số liệu đỉnh là 2Mbps với chất lượng truyền tốt trong vùng phủ rộng

WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô tuyến mới, được gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới như RNC (Radio Network Controller) và NodeB (tên gọi trạm gốc mới trong UMTS)

Nhưng cần chú ý rằng mạng lõi GPRS/EDGE có thể được sử dụng lại và các thiết bị đầu cuối hoạt động ở nhiều chế độ có khả năng hỗ trợ GSM/GPRS/EDGE và WCDMA đã được cụ thể hóa, và quá trình chuyển giao cũng như chọn lại cell cũng đã được thiết lập giữa các hệ thống này

CN PS Domain

GGSN SGSN

Internet RNC

X25

CSPDN

Gb A

A S

W A P

M E X E

U

S

A T

1.4 Hướng phát triển tiếp theo của WCDMA

Tổ chức 3GPP thực hiện chuẩn hoá cho nhánh công nghệ WCDMA Tính đến thời điểm hiện nay, lộ trình chuẩn hóa các tính năng của mạng di động theo cấu trúc NGN của 3GPP được liệt kê dưới đây:

• R99: Hoàn thành vào tháng 12/2000 phương án chuyển đổi nhằm tận dụng tối đa

hạ tầng GSM và GPRS hiện có Mạng lõi của 3G có cả phần chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Mạng truy nhập vô tuyến của 3G có thể nối cả với phần chuyển mạch kênh của GSM sau khi đã có phần bổ sung cho 3G Phần mạng lõi với 2 nút mạng SGSN và GGSN của GPRS trước đây được sử dụng lại hoàn toàn Như vậy phương án này phù hợp cho thị trường có cả dịch vụ yêu cầu chuyển mạch kênh (thoại, hình) và dịch vụ dữ liệu gói

• R4: phần gói với GGSN và SGSN vẫn giữ nguyên Trung tâm chuyển mạch di động MSC của hệ thống được tách thành hai phần: phần điều khiển chuyển mạch

và cổng đa phương tiện (thưc hiện chức năng chuyển mạch) Một bộ điều khiển có thể quản lý được rất nhiều cổng chuyển mạch đa phương tiện Việc chuẩn hoá cơ bản hoàn thành vào tháng 3/2001

• R5,6: đây là giải pháp sử dụng mạng lõi hướng tới toàn IP, có thể được truyền trên ATM Như vậy vai trò của mạng truy nhập vô tuyến chỉ là thành giao diện vô tuyến của 3G Mạng lõi IP có thể tương thích với bất kỳ công nghệ truy nhập vô tuyến nào: WCDMA, cdma2000, EDGE Hệ thống hoàn toàn không còn phần chuyển mạch kênh Thoại cũng sẽ được truyền trên IP Như vậy công nghệ này sẽ còn phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của VoIP Đưa cấu trúc NGN vào miền chuyển mạch gói nhờ sử dụng cấu trúc IMS Các Server cuộc gọi đa phương tiện dựa trên giao thức SIP Việc chuẩn hoá cơ bản hoàn thành vào giữa năm 2002 Release 5 chuẩn hóa công nghệ HSDPA áp dụng cho mạng WCDMA Tốc đốc download có thể đạt 14,4 kbps Release 6 giới thiệu HSUPA cho dữ liệu đường xuống

• R7,8: Giới thiệu HSPA +, áp dụng công nghệ MIMO, nâng cao tốc độ download và

upload

• LTE (Long Term evolution)

Nhìn vào lộ trình chuẩn hóa IMS của 3GPP, chúng ta có thể thấy: HSDPA bắt đầu được chuẩn hóa từ phiên bản Release 5 (hoàn thành từ giữa năm 2002) Tiếp theo phiên bản Release 5 tính đến thời điểm hiện nay đã có 4 phiên bản được chuẩn hóa Phiên bản Release 6 giới thiệu HSUPA và bổ sung thêm một số tính năng dịch vụ IMS

và hoàn thiện một số tính năng (về tính cước, chất lượng dịch vụ…) của phiên bản Release 5 Những kết quả chuẩn hóa IMS trong phiên bản Release 6 của 3GPP đã được chuyển cho ETSI TISPAN để thực hiện chuẩn hóa phiên bản NGN R1

Đặc trưng cơ bản đối với phiên bản Release 7 của 3GPP là chuẩn hóa tính năng hỗ trợ truy nhập với mạng băng rộng cố định

Từ tháng 6 năm 2007, ETSI TISPAN chính thức chuyển các yêu cầu liên quan đến cấu trúc IMS cố định (lõi IMS tối ưu cho mạng cố định) sang 3GPP để tiếp tục thực hiện chuẩn hóa một lõi IMS chung (Common IMS) Đây là công việc cần thiết nhằm hạn chế những khác biệt giữa các chuẩn IMS di động và IMS cố định Cấu trúc IMS chung được chuẩn hóa trong các phiên bản bắt đầu từ Release 8 của 3GPP

Bảng 5 Tóm tắt tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP

Bảng 5 Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP

Minh họa lộ trình phát triển cho các hệ thống của 3GPP

Hình 7 Lộ trình phát triển cho các hệ thống của 3GPP

1.4.1 HSDPA

Thích ứng cho các dịch vụ đa phương tiện, được đặc tả trong 3GPP Release 5, cho tốc

độ đỉnh là 14,4 Mbps HSPDA sử dụng một số công nghệ như: Mã hóa và điều chế

Release 99 Quí 1/2000 Giới thiệu UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) và WCDMA (Wideband CDMA)

Release 4 Quí 2/2001 Bổ sung một số tính năng như mạng lõi dựa trên IP và có những cải tiến cho UMTS

Release 5 Quí 1/2002 Giới thiệu IMS (IP Multimedia Subsystems) và HSDPA (High-Speed Download Packet Access)

Release 6 Quí 4/2004 Kết hợp với Wireless LAN, thêm HSUPA (High-Speed Upload Packet Access) và các tính năng nâng cao cho IMS như Push to Talk over

Cellular (PoC)

Release 7 Quí 4/2007 Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch vụ và các ứng dụng thời gian thực như VoIP Phiên bản này cũng tập trung vào HSPA+

(High Speeed Packet Evolution) và EDGE Evolution

Release 8 Quí 4/2008 Giới thiệu LTE và kiến trúc lại UMTS như là mạng IP thế hệ thứ tư hoàn toàn dựa trên IP

Release 9 Quí 1/2010

Giới thiệu về các dịch vụ trên nền IMS và MMTel, Giới thiệu mạng Core GSM, EPC và truy nhập trong GSM, EDGE, HSPA, LTE, LTE- Advanced

Release 10 Dự kiến quí 2/2011 Sẽ giới thiệu về LTE – Advanced

2011 2010

2009 2008

2007 2006

2005 2004

2003 2002

thích ứng, giao thức ARQ lai, định trình gói nhanh HSDPA sẽ được mô tả chi tiết ở những phần sau

1.4.2 HSUPA

HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) tiếng Việt gọi là Công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao, là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng cũng như giảm độ trễ trên đường truyền gói lên của mạng UMTS (tốc độ đường lên từ 729,6 Kbps lên đến 5,76 Mbps)

Lợi ích của HSDPA như đã trình bày trong các phần trước cho đường xuống khi hầu hết lưu thông dữ liệu 3G được trông đợi đầu tiên là đường xuống Release 6 sẽ nói về cải tiến, nâng cấp đường lên, được gọi là nâng cấp đường lên HSUPA sử dụng tương

tự các đặc điểm chính như HSDPA: HARQ, TTI ngắn, và lịch biểu nút B Những thử nghiệm được thực hiện cho thấy với HSUPA thì:

ƒ Cải thiện 50-70% thông lượng sector đường lên

ƒ Giảm trễ gói từ 20% đến 55 %

1.4.3 HSPA+

HSPA+, còn gọi là HSPA Evolved, được thiết kế để nâng cao hiệu quả sử dụng băng rộng di động và cung cấp một loạt dịch vụ Công nghệ cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh và trung bình cao hơn, thời gian chờ thấp hơn, thời gian trả lời tốt hơn, tuổi thọ của pin lâu hơn và luôn luôn được kết nối, so với các mạng di động thế hệ hiện nay

Tiến hóa mới nhất của công nghệ WCDMA, HSPA+ Release 7, sẽ cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên đến 42Mbps trên đường truyền xuôi, và đến 23Mbps trên đường truyền ngược bằng cách dùng nhiều kỹ thuật tiên tiến khác nhau, gồm nhiều kênh để truyền dữ liệu HSPA+ tương thích ngược với những thế hệ trước của WCDMA và không cần băng tần mới để triển khai Các nhà khai thác có thể nâng cấp tài nguyên mạng và băng tần hiện có để cung cấp băng thông và năng suất di động thế hệ kế tiếp

Cụm từ 3GPP LTE (The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution) được dùng để nói về một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004, nhằm đảm bảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới Mặc dù 3GPP đã phát triển HSDPA, HSUPA để tăng dung lượng truyền (data rate) đến tốc độ lý thuyết max khoảng 14.4 Mbps, nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp những dịch vụ như Video, TV Đứng trước sự ra đời

và cạnh tranh của IEEE 802.16e (WiMAX), công nghệ hứa hẹn sẽ đạt dung lượng truyền khoảng 70Mbps, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững

Hình 8 Kiến trúc mạng của 3GPP LTE

Đăc điểm nổi bật mà 3G LTE mang lại:

ƒ Dung lượng truyền trên kênh downlink có thể đạt 100 Mbps và trên kênh uplink

có thể đạt 50 Mbps

ƒ Tăng tốc độ truyền trên cả user + control planes

ƒ Sẽ không còn circuit-mode Tất cả sẽ dựa trên IP packet VoIP sẽ dùng cho dich

vụ thoại

ƒ Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng 3G LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng (operator) triển khai 3G LTE mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

ƒ OFDMA và MIMO được sự dụng trong 3G LTE thay vì CDMA như trong 3G

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HSDPA (HIGH–SPEED DOWNLINK PACKET ACCESS)

2.1 Giới thiệu công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

HSDPA là một chuẩn công nghệ trong Phiên bản 5 của HSDPA sẽ tăng tốc độ dữ liệu truyền tối đa và nâng cao chất lượng dịch vụ QoS, và nói chung là cải tiến hiệu quả phổ tần đường xuống không đối xứng và đáp ứng nhu cầu bùng nổ các dịch vụ dữ liệu gói Khi HSDPA được thực hiện, nó có thể cùng tồn tại trên cùng hệ thống truyền dẫn như Phiên bản 99 WCDMA Điều này cho phép đưa HSDPA vào mạng WCDMA hiện tại một cách dễ dàng và hiệu quả về chi phí HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản : tải tệp, phân phối email; dịch vụ tương tác : trình duyệt web, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu; dịch vụ Streaming : dịch vụ audio/video…

Hình 9 Hiệu quả phổ HSDPA

Hình 10 Độ trễ tín hiệu trên đường truyền đối với các công nghệ khác nhau

Các khía cạnh kỹ thuật trong nội dung HSDPA bao gồm:

ƒ Truyền dẫn kênh chia sẻ

ƒ Mã hoá và điều chế thích nghi AMC (Adaptive Modulation and Coding)

ƒ Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat Request)

ƒ Trình tự nhanh và hợp lý tại Node B

ƒ Lựa chọn vị trí ô tế bào nhanh FCSS (Fast Cell Site Selection)

ƒ Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI (Short Transmission Time Interval)

2.1.1 Nguyên lý

Mục đích của HSDPA là hỗ trợ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao bằng cách sử dụng một kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) và hỗ trợ thoại được tích hợp trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên kênh HS-DSCH trên cùng một sóng mang (tương tự như DSCH trong Release 99) Nguyên lý hoạt động của HSDPA được

mô tả trong Hình 11:

Hình 11 Mô tả đơn giản nguyên lý hoạt động của HSDPA

Node B truyền dữ liệu mà người dùng yêu cầu xuống cho UE qua kênh HS-DSCH UE nhận được các khối dữ liệu rồi xem các khối nhận có tốt không, hay bị lỗi hoặc bị thiếu khối Sau đó UE gửi tín hiệu báo nhận hoặc không nhận được về cho Node B Tại Node B, nhờ định trình nhanh dựa trên các thông tin về chất lượng kênh, yêu cầu

về chất lượng dịch vụ và một số kỹ thuật khác như điều chế và mã hóa thích ứng, yêu cầu tự động phát lại nhanh… nên việc phát dữ liệu cũng như phát lại dữ liệu khi bị lỗi diễn ra rất nhanh

Vấn đề chủ chốt là xác định chất lượng kênh đường xuống cho mỗi người sử dụng độc lập; ví dụ tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm (Es/No), và chất lượng bộ tách

UE Node 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 (TCP) được gửi theo kênh dành riêng (DCH) liên kết với UE đó Ngoài ra, UE có thể được yêu cầu 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 (ACK/NACK) ở dạng gói dựa trên lớp 1 cho mỗi liên kết Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài

đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, định trình gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như điều khiển chất lượng chặt chẽ hơn Bằng cách

sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16QAM, cũng như hoạt động

đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120Kbps tới hơn 10 Mbps

2.1.2 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA

Hình 12 mô tả các tính năng cơ bản của HS-DSCH của HSDPA được bổ sung hoặc bị loại đi so với công nghệ WCDMA Trong HSDPA, thêm một số kỹ năng mới như điều chế và mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive modulation & coding), yêu cầu phát lại tự động nhanh (HARQ: Hybrid Automatic Repeat Request), định trình nhanh, thời gian phát truyền dẫn ngắn (TTI: Transmission Time Interval) Cùng với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọng nhất của công nghệ WCDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng Với những đặc điểm khác biệt so với WCDMA này đã dẫn đến tốc độ dữ liệu đường xuống lớn hơn nhiều so với trong WCDMA

Hình 12 So sánh HSDPA với WCDMA

Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tín hiệu nhận được (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát chống lại sự suy hao tín hiệu thu

được Điều này sẽ tạo ra các giá trị đỉnh trong công suất phát và tăng nền nhiễu đa truy cập, do đó sẽ làm giảm dung lượng toàn mạng Hơn nữa, sự hoạt động của điều khiển công suất yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo một mức dự trữ nhất định trong tổng công suất phát của Node B để thích ứng với các biến đổi của nó Loại bỏ được điều khiển công suất sẽ tránh được các hiệu ứng tăng công suất kể trên cũng như không cần tới dự trữ công suất phát cell Tuy nhiên do không sử dụng điều khiển công suất, HSDPA yêu cầu các kĩ thuật thích ứng liên kết khác để thích ứng với các tham số tín hiệu phát nhằm liên tục bám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến

Một trong những kĩ thuật thích ứng liên kết sẽ được đề cập đến gọi là điều chế và

mã hóa thích ứng (AMC).Với kĩ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng một cách liên tục và chất lượng kênh thay cho việc điều chỉnh công suất.Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao

Do HSDPA không còn sử dụng điều khiển công suất vòng kín, phải tối thiểu hóa

sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI, vấn đề này đựơc thực hiện nhờ việc giảm độ rộng của TTI từ 10 ms ở WCDMA xuống còn 2 ms ở HSDPA Với sự bổ sung kỹ thuật HAQR nhanh, cho phép phát lại một cách nhanh nhất các block dữ liệu đã bị mất hoặc bị lỗi và khả năng kết hợp với thông tin “mềm” ở lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó

Để thu thập thông tin chất lượng kênh hiện thời cho phép các kỹ thuật thích ứng liên kết và định trình gói theo dõi giám sát một cách liên tục các điều kiện vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, chức năng AMC chịu trách nhiệm giám sát kênh HS-DSCH được chuyển từ RNC đến Node B Thông tin về chất lượng kênh nhanh cho phép Bộ định trình gói phục vụ user chỉ khi điều kiện này của user này là thích hợp Quá trình định trình gói nhanh và đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH

về bản chất có thể xem như phân tập lựa chọn đa người sử dụng (multiuser selection diversity) với những lợi ích rất to lớn đối với việc cải thiện thông lượng của cell Việc dịch chuyển chức năng lập dịch đến Node B là thay đổi chính về kiến trúc nếu so sánh với phiên bản R99

2.1.3.1 Giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH

Không giống như tất cả các kênh truyền tải theo R99, chúng đều chấm dứt tại RNC, kênh HS-DSCH chấm dứt tại Node B Với mục đích điều khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này (do đó được gọi là MAC-hs) nằm ngay tại Node B (xem hình 3.3), do đó cho phép nhận được các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho các 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 triển lại diễn ra nhanh hơn

Hình 13 Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải

HS-DSCH

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, 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 các kênh logic

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 thiểu hóa dung lượng bộ nhớ đệm của Node B Việc chuyển hàng đợi dữ liệu đến Node B làm nảy sinh yêu cầu phải có một

cơ chế điều khiển luồng (được gọi là HS-DSCH Frame protocol) nhằm giữ cho các bộ nhớ đệm tại Node B luôn đầy

Ngoài ra, HS-DSCH không hỗ trợ chuyển giao mềm do sự phức tạp trong việc đồng bộ hóa quá trình phát từ cell khác nhau HS-DSCH có thể hỗ trợ tùy chọn phủ toàn bộ hoặc phủ một phần cell

2.1.3.2 Cấu trúc kênh mới trong HSDPA

Trong hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA, kênh DSCH có tính chất đặc thù

và rất hữu dụng cho việc truyền lưu lượng gói lớn ở đường xuống DSCH cung cấp các tài liệu nguyên mã mà chúng có thể chia sẻ bởi nhiều người sử dụng khác nhau theo phương thức ghép thời gian Việc chia sẻ các tài nguyên cho phép cải thiện dung lượng

và tránh được sự thiếu hụt về mã định kênh khi xảy ra trường hợp mỗi user được cấp phát một kênh DCH Như đã đề cập ở trên, khái niệm HSDPA giới thiệu thêm một loại kênh truyền tải mới, kênh HSDPA, nó có thể xem như là một sự phát triển của kênh DSCH Một số kênh vật lý cũng được giới thiệu, đó là kênh chia sẻ đường xuống vật

lý tốc độ cao (HS-PDSCH) và một kênh điều khiển vật lý tốc độ cao (HS-DPCCH)

HS-PDSCH là kênh chia sẻ cả về thời gian và mã giữa những người sử dụng kết nối tới Node B Đó là kỹ thuật phát cho các kênh logic thêm là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH và kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH

HS-DPCCH là kênh đường lên mang các thông tin điều khiển ở đường lên, được gọi là sự xác nhận ARQ(ARQ acknowledgements), và các thông báo chỉ thị chất lượng kênh CQI(Channel Quality Indicator) Để hỗ trợ hoạt động điều khiển công suất của HS-DPCCH, mỗi người sử dụng sẽ được cấp phát một kênh DPCH liên kết

Hình 14 cho biết những kênh thêm vào trong HSDPA và sự kết hợp của chúng với các kênh khác khi phát Khi truyền dữ liệu xuống thì chúng được truyền trên kênh truyền tải HS-DSCH qua kênh vật lý HS-PDSCH, cùng phối hợp với các kênh DSCH,

và kênh HS-SCCH

Hình 14 Các kênh vật lý cho HSDPA

HSDPA dựa trên một loại kênh truyền tải mới, kênh HS-DSCH, nó có thể được xem như một sự phát triển của kênh DSCH HS-DSCH được xếp vào nhóm các kênh vật lý được ký hiệu là HS-DSCHs và được chia sẻ giữa tất cả các user theo phương thức ghép thời gian Hệ số trải phổ của kênh HS-DSCHs được cố định là 16, và MAC-

hs có thể sử dụng một hoặc một số mã (còn gọi là đa mã), tối đa lên đến 15 mã Khi cả thời gian và mã được chia sẻ, hai đến bốn người sử dụng có thể chia sẻ tài nguyên mã trong cùng TTI

Hình 15 Chia sẻ thời gian và mã

Cấu trúc kênh đường lên và đường xuống của HSDPA được mô tả trong Hình 16 Khái niệm HSDPA còn bao gồm kênh HS-SCCH để báo hiệu cho các user khi chúng được phục vụ cũng như các thông tin cần thiết cho quá trình giải mã HS-SCCH mang những thông tin sau:

ƒ Mặt nạ ID của UE: để xác định user được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo

ƒ Thông tin liên quan đến khuôn dạng truyền tải: mô tả các mã định kênh, và phương thức, kỹ thuật điều chế được sử dụng Tỷ lệ mã hóa thực được trích ra

từ kích cỡ của block truyền tải và các tham số khuôn dạng truyền tải khác

ƒ Thông tin liên quan đến HARQ: ví dụ như chu kỳ phát tiếp theo sẽ là một block mới hay là một block được phát lại(do lỗi trước đó) và thông tin về các phiên bản thừa

Thông tin điều khiển này chỉ được sử dụng cho UE sẽ được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo, như vậy kênh báo cáo tín hiệu này là một kênh chia sẻ theo thời gian cho tất

Hình 16 Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA

2.2.1 Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích ứng AMC

HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng khác để thay thế các kỹ thuật điều khiển công suất và hệ số trải phổ biến thiên vốn được sử dụng trong hệ thống WCDMA Để đối phó với dải động của Eb/No tại đầu cuối UE, HSDPA thích ứng quá trình điều chế, tỉ lệ mã hoá và số mã định kênh với các điều kiện vô tuyến hiện thời

Sự kết hợp của hai kỹ thuật đầu tiên được gọi là Điều chế và Mã hoá Thích ứng (AMC)

Bên cạnh QPSK, HSDPA kết hợp chặt chẽ với phương thức điều chế 16QAM

đê tăng tốc độ dữ liệu đỉnh của các user được phục vụ dưới điều kiện vô tuyến thích hợp Việc hỗ trợ cho QPSK có tính chất bắt buộc đối với thông tin di động, còn đối với 16QAM là một tuỳ chọn cho mạng và UE Sử dụng đồng thời cả hai phương thức điều chế này, đặc biệt là phương thức điều chế cấp cao 16QAM, đưa ra một số thách thức nhất định đối với độ phức tạp của bộ thu đầu cuối, nó cần phải xác định được biên độ tương ứng của các ký hiệu nhận được, trong khi đối với phương pháp điều chế QPSK truyền thống chỉ yêu cầu tách pha tín hiệu Một bộ mã hoá turbo dựa trên bộ mã hoá turbo R99 với tỉ lệ mã hoá 1/3, mặc dù các tỉ lệ mã hoá hiệu dụng khác trong phạm vi (xấp xỉ từ 1/6 đến 1/1) cũng có thể có được bằng các kỹ thuật ghép, chích và lặp mã Kết quả là tạo ra một dải tỉ lệ mã có tới 64 giá trị khác nhau Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tỉ lệ mã được gọi là Lược đồ Mã hoá và Điều chế (MCS – Modulation and Coding Scheme) Bảng 6 chỉ ra một số tập MCS thường được sử dụng cho HSDPA và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng với mỗi MCS

Ngoài kỹ thuật AMC, phát đa mã cũng có thể xem như một công cụ thích ứng liên kết Nếu user có các điều kiện kênh vô tuyến phù tốt, Node B có thể lợi dụng điều kiện này bằng cách phát nhiều mã song song với nhau, nhằm đạt được thông lượng dữ liệu đỉnh khá lớn Ví dụ với MCS 5 và một bộ 15 đa mã, có thể đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa lên tới 10,8 Mbps

Với kỹ thuật phát đa mã, toàn bộ dải động của AMC có thể được tăng lên một lượng 10.log15 (12 dBs) Toàn bộ dải động thích ứng liên kết do AMC kết hợp với phát đa mã xấp xỉ 30dB Chú ý rằng, dải động của kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên

trong WCDMA xấp xỉ 20 dB, có nghĩa là bé hơn khoảng 10 dB so với dải động thích ứng liên kết trong HSDPA

Bảng 6 Ví dụ về MCS của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã

2.2.2 Định trình nhanh

Hình 17 Ưu thế của định trình ở Node B (tham khảo: Nokia)

Với mỗi TTI, bộ định trình quyết định người sử dụng HS-DSCH nào nên được phát, cần dùng kỹ thuật thích ứng liên kết, loại điều chế và số lượng mã như thế nào

Bộ định trình là một trong những thành phần quan trọng của HSDPA Đối với mỗi TTI, nó xác định điểm cuối mà HS-DSCH nên được phát, cùng với AMC tại tốc độ dữ liệu Một thay đổi quan trọng so với các kênh R’99 là lịch trình được thiết lập tại nút B

thay vì được thực hiện tại RNC Hình 18 mô tả ưu thế của việc định trình tại Node B

Nhờ vào định trình nhanh ở Node B nên thời gian phát lại rất nhanh chóng, cùng với

và thích ứng tốc độ dữ liệu được chỉ định theo Nhiều thuật toán có thể sử dụng cho định trình như RR (Round Robin: phương pháp quay vòng), C/I (Maximum Carrier to Interference: Sóng mang trên nhiễu lớn nhất), PF (Proportional Fair: Tỷ lệ hợp lý)

Hình 18 Truyền dẫn tới các user với điều kiện vô tuyến thuận lợi

Định trình RR sử dụng theo phương pháp First In First Out (vào trước ra trước)

Nó cung cấp độ chính xác cao giữa những người sử dụng, nhưng lại tốn kém thông lượng hoạt động của hệ thống (và do đó là hiệu quả sử dụng hiệu quả phổ chưa cao), khi một số người sử dụng có thể được phục vụ thậm chí cả khi họ đang thu tín hiệu yếu (do phadinh)

Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu lớn nhất sắp xếp định trình cho người sử dụng với C/I cao nhất trong suốt TTI Điều này tự nhiên dẫn tới thông lượng hệ thống cao nhất khi nhiều người sử dụng kênh tốt nhất

Sắp xếp tỷ lệ đúng PF cho phép sự thỏa hiệp tốt giữa RR và C/I Bộ định trình PF phục vụ người sử dụng với chất lượng kênh quan hệ lớn nhất:

) (

) (

P = λ i=1,…,N

Ở đây, Pi(t) chỉ thị ưu tiên người dùng, Ri(t) là tốc độ dữ liệu tức thời thu được bởi người sử dụng i nếu nếu nó được bộ định trình phục vụ, và λi là thông lượng người sử dụng Thuật toán này dự định phục vụ người dùng dưới các quan hệ điều kiện kênh vô tuyến tức thời rất thuận tiện cho người sử dụng trung bình của nó, vì vậy có lợi cho sự thay đổi thời gian của kênh pha dinh nhanh PF định trình người sử dụng theo tỷ lệ giữa tốc độ dữ liệu đạt được tức thời và tốc độ dữ liệu phục vụ trung bình Điều này dẫn đến làm cho tất cả người sử dụng có cùng khả năng được phục vụ mặc dù chúng

có thể thu chất lượng kênh trung bình rất khác nhau Sự sắp xếp này cung cấp một sự cân bằng tốt giữa thông lượng hệ thống và tỷ lệ hợp lý Một việc quan trọng nữa là sự triển khai các chất lượng dịch vụ tạo những ràng buộc mới trên bộ định trình

2.2.3 Phát lại nhanh HARQ

HSDPA kết hợp chặt chẽ với chức năng phát lại ở lớp vật lý cho phép cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ và tăng khả năng chống lại các lỗi thích ứng liên kết Bởi

vì chức năng HARQ được đặt tại thực thể MAC-hs của Node B, quá trình phát lại các khối nguyên truyền tải sẽ nhanh hơn đáng kể so với sự phát lại của lớp RLC bởi vì RNC hoặc Iub không tham gia quá trình này

Hình 19 Hoạt động của giao thức SAW

Giao thức phát lại được lựa chọn trong HSDPA là Dừng và Chờ (SAW- Stop And Wait) do sự đơn giản của kiểu giao thức này đối với ARQ Trong SAW, bộ phát cố gắng phát Block truyền tải hiện đại cho đến khi nhận được thành công trước khi khởi tạo quá trình phát Block tiếp theo Do đó có thẻ xảy ra trường hợp phát liên tục tới một

UE đó, và các tiến trình khác nhau sẽ phát trong các TTI tách biệt Số tiến trình ARQ tối đa cho mỗi UE là 8 Theo ước lượng RTT lớp 1, trễ giữa thời điểm phát và thời điểm phát lại lần thứ nhất khoảng 12 ms, có nghĩa là nó yêu cầu 6 tiến trình SAW