Công nghệ HSDPA trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩ đến việc số hoá các hệ thống từ đó ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 2G 1.1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai Mạng thông ti

LỜI MỞ ĐẦU

Kể từ khi ra đời cho đến nay lĩnh vực thông tin nói chung, đặc biệt là thông tin di động nói riêng đã đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống Hệ thống thông tin di động ra đời với khả năng liên lạc qua sóng

vô tuyến, không cần dây, vừa đi vừa có thể liên lạc Tuy nhiên khi mới ra đời các thiết bị còn cồng kềnh, dung lượng thấp Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học-kỹ thuật Ứng dụng các công nghệ vào sản phẩm mà các hệ thống thông tin di động ngày càng hoàn thiện mang lại nhiều dịch vụ chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu phục vụ ngày càng cao của con người

Ngày nay cùng với sự tăng trưởng không ngừng về số lượng người sử dụng mạng viễn thông, đòi hỏi các nhà mạng phải không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ Các loại hình dịch vụ trên Internet ngày càng phát triển cùng với

đó là sự đòi hỏi về băng thông truy nhập Internet càng cao Công nghệ truy cập băng thông gồm công nghệ hữu tuyến và công nghệ vô tuyến

Hiện nay trong tay ai cũng có trong tay mình 1 chiếc smart phone và khi kết nối internet mà không có mạng wifi thì ta cần có mạng dữ liệu 3G Nhưng không phải ai cũng biết khái niệm 3G dùng để mô tả dịch vụ điện thoại của thế

hệ thông tin thứ ba Có hai mạng chính được xây dựng trên nền tảng công nghệ 3G là : UMTS (Universal Mobile Telephone Service)- hiện đang được triển khai trên mạng GSM sẵn có và CDMA2000 – mang đến khả năng truyền tải dữ liệu ở mức 3G cho mạng CDMA Trong khi đó, các công nghệ di động tiếp theo như 4G và 5G (HSDPA và WiMax) sẽ có khả năng kết nối bằng modem cáp, và tốc

độ kết nối tương đương với mạng Gigabyte Ethernet

Trước thực tế trên nên em đã quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp

của mình là ―Công nghệ HSDPA trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba” Trong đề tài này em tập chung nghiên cứu về cấu trúc,nguyên lý hoạt động,

các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA để từ đó nói ra ứng dụng của nó đến việc truyền dữ liệu

Nôi dung của đồ án gồm 3 chương :

CHƯƠNG I :KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CHƯƠNG II :TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WCDMA-UTMS CHƯƠNG III:CÔNG NGHỆ HSDPA VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ

CHƯƠNG I: KHÁi QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Sơ lược về lịch sử và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

1.1.1 Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất

Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất là mạng thông tin không dây sử dụng tín hiệu annalog, được giới thiệu đầu tiên trên thế giới vào thập kỷ 80 của thế kỷ XX Các thiết bị này dùng anten thu phát sóng được gắn bên ngoài, kết nối với các trạm thu phát,nhận tín hiệu xử lý việc thoại qua cac Module ở trong máy di động Do đó các thiết bị di động sơ khai rất là cồng kềnh vì kết hợp cả hai Module thu và phát ở trong

Dải tần hoạt động hệ thống này là tần số 800 MHz Chúng sử dụng cơ chế điều tần FM cho đàm thoại và dịch tần số FSK cho tín hiệu, và sử dụng kỹ thuật truy cập FDMA.Tín hiệu FSK có tần số dao động sóng khác nhau, các bit khác nhau tương ứng với một tần số khác nhau của tín hiệu Ưu điểm của điều chế này là dễ chế tạo nhưng lại hay mắc lỗi khi truyền

Đây là lần đầu tiên FDMA được đưa vào ứng dụng trong hệ thống thông tin Trong FDMA băng tần lớn được chia nhỏ thành các băng tần con.Mỗi một thuê bao di động chỉ có quyền được cho phép truyền một cách liên tục theo thời gian trên băng tần nhỏ mà đã được cấp cho thiết bị di động đó

Công nghệ NMT(Nordic Mobile telephone) là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống thông tin 1G ở các nước Bắc Âu,Tây Âu và Nga.Được phát triển năm 1970 và chính thức đưa ra thị trường năm 1981, Hệ thống này dải tần số hoạt động 450Mhz, quãng đường cell từ 2 đến 30 km Sử dụng phổ biến ở Trung Đông và Đông Âu Hạn chế của công nghệ đời đầu này là bảo mật kém,

dễ bị nghe lén Tốc độ truyền số liệu 600bp/s, 1.200 bps/s phương pháp điều chế FFSK (Fast Frequency Shift Keying)

Ngoài ra còn có 1 số hệ thống như là :

 C45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp

 RTMI ở Italia, hoạt động ở dải tần số 450 Mhz

 TACS (Total Access Communication Sytem ) hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp ở Anh hoạt động ở dải tần số 900 Mhz

Khi số lượng người dùng thuê bao mạng tăng lên nhanh chóng đòi hỏi cần phải có biện pháp tăng dung lượng cùng với chất lượng mạng, đồng thời bổ sung các dịch vụ mạng Để giải quyết vấn đề này người ta đã nghĩ đến việc số hoá các

hệ thống từ đó ra đời hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)

1.1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai

Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai đã đánh dấu một bước cách mạng quan trọng trong thông tin di động.Được ra mắt trên chuẩn GSM sử dụng tín hiệu kỹ thuật số ( Digital ) được công ty RADIOLINJA ra mắt lần đầu tiên vào năm 1991 So với mạng di động 1G, mạng 2G có nhiều ưu điểm là :

 Các cuộc gọi đã được truyền đi và mã hóa bằng tín hiệu số, phạm vi kết nối rộng hơn rất nhiều so với 1G

 Xuất hiện tin nhắn văn bản SMS, truyền số liệu trên di động

 Sử dụng nguồn năng lượng nhỏ hơn cho việc phát sóng, các Module thu phát đã được thu nhỏ thành các chíp giúp tiết kiệm không gian thiết bị

Mạng 2G chia làm 2 dòng chuẩn: Chuẩn CDMA( Code Divison Multple Access)-đa truy cập phân chia theo mã, với các dạng kết nối mạng theo yêu cầu

sử dụng thiết bị và chuẩn TDMA (Time Division Multiple Access)-đa truy nhập theo thời gian

Giai đoạn này phát triển các hệ thống thông tin di động số như :

• GSM (TDMA-based) với kỹ thuật nén số khi thoại để mỗi thiết bị thuê bao đều có thể truy cập toàn bộ băng tần của hệ thống ở khe thời gian khác nhau Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung, khoảng thời gian không dùng giữa các khe thời gian liên tiếp là khoảng thời gian bảo

vệ chống nhiễu GSM khơi nguồn tại Châu Âu Hệ thống GSM nguyên thủy hoạt động ở tần số 900Mhz So với các hệ thống mạng lưới khác, người dung di động liện lạc với nhau thông qua một trạm trung tâm tại mỗi vị trí bằng cách sử dụng các kết nối lên và kết nối xuống riêng rẽ nhau Tần số nối lên bắt đầu tại

935.2Mhz và kênh nối xuống bắt đầu từ 890.2Mhz Tất cả các kênh có độ rộng tần số là 200 khz Mỗi băng tần trong số 124 uplink và downlink bao gồm các khung 8 khe (slot) để truyền thoại và dữ liệu Vì có 8 khe trên mỗi kênh và có tất

cả 124 kênh nên trên lý thuyết hệ thống có thể phục vụ cho 992 người sử dụng.Mỗi khoảng thời gian truyền khung trong uplink hay downlink có độ rộng

là 1250 bit chia thành 8 khe 148 bit Mỗi khe có thể chứ 114 bit dữ liệu, với các bit còn lại chứa thông tin tiêu đề khung và thông tin đồng bộ dữ liệu Mỗi kênh

có thể truyền một cuộc đối thoại âm hay truyền dữ liệu với tốc độ là 9600bit/giây Hiện nay gần 70% các nhà cung cấp mạng sử dụng trên toàn cầu

• Mạng CDMA-2000 hoạt động ở dải tần 450MHz nền tảng tương tự như của mạng GSM nhưng thực hiện trên nền CDMA.Khoảng 60 nhà mạng đã triển khai dịch vụ trên nền tảng này(2005)

• Mạng CDMAONE (IS-95) sử dụng tại Hoa kỳ và ở Châu Á

• Mạng PDC tại Nhật Bản dựa trên nền tảng TDMA

• Mạng IDEN được nhà mạng NEXTEL triển khai tại Mỹ và TELUS MOBILITY ở Canada

Mạng 2,5G là bước đệm giữa mạng 2G và 3G Ưu điểm của mạng 2,5G là công nghệ GPRS(công nghệ kết nối internet kết nối, di chuyển dữ liệu).Trong mạng 2,5G đã có một số giao thức dịch vụ tiệm cận mạng 3G (tốc độ đường truyền dữ liệu 144Kbit/s) như EDGE của GSM ,CDMA-2000 (1x-RTT) của CDMA Sử dụng chung cơ sở hạ tầng của hai mạng 2G và 3G

1.1.3 Mạng thông tin di động thế hệ ba

Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba phát triển trên cơ sở mạng di động thế

hệ thứ hai với nhiều ưu điểm vượt trội Người dùng có thể truyền tải dữ liệu thoại hay không thoại: tải dữ liệu di động,cuộc gọi video call, gửi email một cách dễ dàng Công nghệ 3G với chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU) Hiện nay 3G được chia thành 4 chuẩn độc lập với nhau

―+ UMTS (W-CDMA)

 UMTS dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dung GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong

đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

 FOMA Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này)

+Wideband-CDMA

Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbp/s và 2 Mbp/s Giao thức này được dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbp/s Khi nó dùng trong một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbp/s Chuẩn này cũng được công nhận bởi ITU

độ truyền tải dữ liệu đạt tới 42Mbp/s (2015) Và đây cũng là trọng tâm của đồ án

-Analog(chỉ có chức năng thoại)

- GPRS

- 1xRTT

- EDGE

Từ 30Kbps Đến 90Kbps

- 1xEV-DO

144Kbps đến 2Mbps

- Video chất lượng cao

- Nhạc ―streaming‖

- Game 3D

- Lướt web nhanh 3.5G

- HSDPA

- 1xEV-DV

384Kbps đến 14.4Mbps

- Video theo yêu cầu (VOD)

- Video hội họp

1.2 Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba ban đầu là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng Các chuyển mạch kênh sẽ được thay thế bằng chuyển mạch gói bao gồm dịch vụ số liệu và thời gian thực truyền trong cùng mạng IP

Hình 1.1 Mạng di động 3G kết hợp Cs và Ps

Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) được thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng lôgic: trong thực hiện thực tế các miền chức năng này được đặt vào các thiết bị và các nút vật lý Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phương tiện khác nhau: từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu dung lượng lớn

3G UMTS sử dụng hai kiểu RAN :

1 Đa truy nhập WCDMA(đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) gọi

là UTRAN (mạng truy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS)

2 Đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN(mạng truy nhập vô tuyến theo công nghệ EDGE)

Ở trong đồ án này ta đề cập đến công nghệ 3G WCDMA UMTS

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

1.3.1 Mạng thông tin 4G

Mạng thông tin 4G mạng thông tin di động không dây thế hệ thứ tư,với tốc

độ truyền tải dữ liệu tốc độ cao từ 1-1,5Gbp/s Hiện nay mạng 4G đã được triển khai ở nhiều quốc gia trong đó ở Việt Nam đang triển khai thử nghiệm ở một số tỉnh thành trên cả nước Đến năm 2017 sẽ bắt đầu phủ sóng toàn quốc

Chuẩn 4G là chuẩn tiêu biểu của các thiết bị không dây ngày nay và tương lai.Theo nghiên cứu của DOCOMO với trường hợp lý tưởng:

Với mạng 4G ta có thể thể tải và truyền lên các hình ảnh,video call, videoclip chất lượng cao với tốc độ 1Gbp/s khi đứng yên và 100Mbp/s khi ta di chuyển

Và trong tương lai, mạng di động LTE Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)

sẽ là các thế hệ tiến bộ hơn, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem Video tốc độ cao, trải nghiệm Web một cách tiện lợi và thoải mái hơn từ chiếc điện thọai của mình

Hình 1.3 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP

Hình 1.4 Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP

CHƯƠNG II : CÔNG NGHỆ WCDMA-UTMS 2.1 Tổng quan công nghệ W-CDMA

W-CDMA (Wideband-CDMA) là công nghệ di động thế hệ thứ ba sử dụng

kỹ thuật công nghệ DS-CDMA để có tốc đọ cao hơn và hỗ trợ người dùng mạng 2G WCDMA hỗ trợ cả hai chế độ song công là TDD và FDD, tuy nhiên chỉ có WCDMA FDD được sử dụng rộng rãi Tiêu chuẩn W-CDMA là nền tảng của chuẩn UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên kỹ thuật CDMA trải phổ dãy trực tiếp Với tốc độ cung cấp dữ liệu lên tới 2Mbp/s nên hệ thống thông tin 3G có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ với tốc độ cao :video call, tải dữ liệu tốc độ cao và cung cấp nhiều dịch vụ đa phương tiện khác

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba được xây dựng trên cơ sở của chuẩn IMT-2000 chính thức được đưa vào sử dụng năm 2001 IMT-2000 đã đưa

ra nhiều ứng dụng mới, đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2

Đặc điểm cơ bản của W-CDMA :

- Hoạt động ở băng tần 5MHz đối với CDMA băng rộng

- Tích hợp được tất cả các thông tin vào một sóng mang trên lớp vật lý

- Hệ số sử dụng lần sau có tần số f=1

- Support tập phát cùng với cấu trúc tiên tiến

Tuy nhiên băng thông TDD của WCDMA có nhược điểm chỉ phát một cách ngắt quãng không liên tục, cũng như các kỹ thuật chống nhiễu không được

hỗ trợ khi hoạt động ở các môi trường khác nhau

2.2 Cấu trúc

Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Cấu trúc của mạng theo chức năng chia làm hai mạng :

Hình 2.1 Cấu trúc của UMTS

 Mạng lõi (CN)

 Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN)

Mạng lõi(CN) sử dụng cấu trúc của phần cứng của mạng GPRS làm nền tảng Mạng truy nhập vô tuyến(UTRAN)-là phiên bản nâng cấp lên của W-CDMA.Để mạng trở nên hoàn thiện, W-CDMA có thêm UE-thiết bị người sử dụng để giao tiếp với toàn bộ hệ thống.Như vậy theo quan điểm chuẩn hóa hệ thống,UE và UTRAN gồm có các giao diện mới được thiết kế trên công nghệ của WCDMA và mạng lõi CN được định nghĩa dựa trên hoàn toàn GSM.Cho phép WCDMA mang tính toàn cầu dựa trên công nghệ của GSM

UE (User Equipment)

UE (User Equipment): Thiết bị đầu cuối giao tiếp giữa người và hệ thống

Hệ thống có nhiều thiết bị nhất ,ảnh hưởng của nó lớn đến các dịch vụ và ứng dụng Giao diện vô tuyến được chuẩn hóa và card thông minh đang được triển khai giúp cho giá thành thiết bị giảm nhanh chóng

Thiết bị người sử dụng giao tiếp giữa người sử dụng với hệ thống

UE gồm hai phần :

- Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu

PLMN,PSTN ISDN

Internet

Các mạng ngoài

MSC/

GGSN SGSN

HLR

CN

RNC Node B

Node B

RNC Node B

- Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối

UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN )có nhiệm vụ thực hiện liên kết người dùng và CN, gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chung UTRAN gồm hai phần tử :

- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu

Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) :

RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC)

Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá 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.RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào

Mạng lõi CN (Core Network)

Mạng lõi CN bao gồm:

- HLR : Thanh ghi định vị lưu thông tin,quản lý dữ liệu về dịch vụ người

sử dụng gồm có :thông tin dịch vụ cho phép,vùng không được phép chuyển mạng,thông tin dịch vụ bổ sung như số lần cũng như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi.Một mạng có 1 hoặc nhiều HLR

- MSC/VLR : Gồm tổng đài MSC và cơ sở dữ liệu VLR nhằm cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó Trong đó MSC kết nối CS với đầu cuối mạng có chức năng báo hiệu ,sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh

ở vùng quản lý

VLR là một HLR thu nhỏ của mạng phục vụ có chức năng:

+ Cung cấp các dịch vụ thuê bao được sao ở HLR và lưu ở đây

+ Lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của

UE trong hệ thống đang phục vụ

- GMSC (Gate MSC) : Chức năng định tuyến tới vùng có MS

- SGSN (Serving GPRS Support Note):là nút chính của miền chuyển mach gói, chịu trách nhiệm kết nối của tất cả PS của thuê bao người dùng.SGSN lưu hai kiểu dữ liệu : Thông tin và vị trí

- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Là SGSN nối với các mạng số liệu khác Tất cả các cuộc gọi truyền thông từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua SGSN Giống như SGSN nó cũng lưu hai kiểu số liệu :thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao

Các mạng ngoài

Các mạng ngoài tuy không thuộc hệ thống ,nhưng đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo đảm việc giao tiếp giữa mạng khác nhau của á nhà khai thác Các mạng ngoài có thể là các mạng điện thoại :‖PLMN-mạng di động mặt đất công cộng,PSTN-mạng điện thoại chuyển mạch công cộng ,ISDN hoặc các mạng internet.Miền PS kết nối tới các mạng số liệu, miền CS nối đến mạng điện thoại ‖

2.3 Giao diện vô tuyến

Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện

này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh

Giao diện UU : Là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS, là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng, nó nằm giữa nút B và đầu cuối Đây là giao diện vô tuyến quan trọng nhất của UMTS

Giao diện IU : Giao diện này nối dùng để nối các mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN) và mạng lõi (CN).Gồm IuPs ở chuyển mạch gói và IuCs ở chuyển mạch kênh

Giao diện IUr : Cấp phép chuyển giao giữa các RNC với nhau RNC-RNC

Ngoài chức năng chuyển giao giũa các RNC nó còn có thêm các chức năng sau :

▪ Các RNC di động với nhau

▪ Kênh chung được lưu thông

▪ Kênh riêng được lưu thông

Giao diện IUb : Cho phép kết nối tương ứng mỗi một nút B là một RNC.Giao diện này là một giao diện mở được tiêu chuẩn hóa

Hình 2.2 Mô hình giao diện vô tuyến

2.4 Các kênh cơ bản của WCDMA

WCDMA với 3 kênh :

2.4.1 Kênh vật lý

Kênh vật lý 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 được thực hiện những kỹ thuật biến đổi cần thiết nhằm tươn thích đặc tín truyền dẫn vô tuyến và đảm bảo chất lượng tín hiệu cao nhất

Kênh vật lý gồm hai loai kênh: kênh đường lên và kênh đường xuống

2.4.1.1 Kênh đường lên

Gồm hai kênh dành riêng : kênh truyền dữ liệu-DPDCH và kênh truyền báo

hiệu DPCCH và một kênh truy cập chung - RACH

Thông thường mỗi cuộc gọi chỉ được cấp một kênh truyền dữ liệu cho dịch

vụ chia sẻ thời gian.Ta cũng có thể cấp nhiều kênh để có hệ số trải phổ lớn khi truyền dữ liệu tốc độ cao

Hình 2.4 Tốc độ truyền WCDMA đường lên 2.4.1.2 Kênh đường xuống

dùng để đánh giá sự hoạt động thích ứng của anten, hỗ trợ việc công suất được điều khiển nhanh ở hướng xuống của kênh CCPCH sơ cấp mang BCCH, kênh pilot chung được ghép kênh theo thời gian Một CCPCH có mã giống nhau trong tất cả các cell

Hình 2.5 Cấu trúc của kênh dành riêng

- CCPCH thứ cấp ghép kênh theo thời gian PCH với PACH trong cấu trúc siêu khung

Hình 2.6 Cấu trúc kênh CCPCH

- Kênh kênh đồng bộ-SCH, được dùng cho thủ tục đồng bộ mạng Dùng khi thực hiện thủ tục định vị và đồng bộ mạng

Hình 2.7 Cấu trúc của kênh đồng bộ SCH

- SCH sơ cấp không điều chế cung cấp định thời xác định SCH thứ cấp mà SCH thứ cấp có điều chế cung cấp tin tức xác mã PN của BS Sử dụng một bộ

mã 256bit không điều chế chu kỳ một lần ở một khe

- PRACH-kênh vật lý truy xuất ngẫu nhiên sử dụng ở phía đƣa thông tin truy xuất mạng ngoài ra ở một số thời điểm dùng để phát thông tin về số liệu gói

Hình 2.8Chất lượng của khe thời gian truy cập 2.4.2 Kênh truyền tải

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

- Kênh truyền tải riêng DCH : Mang thông tin điều khiển cho riêng MS với mang UL,DCH-Dl.Kênh này hoạt động cả ở tuyến lên và tuyến xuống

- Kênh truyền tải chung CCH : Dùng chung cho tất cả MS.Kênh truyền tải chung bao gồm 6 kênh :

― + Kênh BCH - kênh quảng bá, là kênh truyền tải đường xuống, sử dụng

để quảng bá những thông tin trong hệ thống hay trong 1 tế bào

+ Kênh FACH - Kênh truy cập gọi đi, cũng là kênh truyền tải đường xuống Có thể hoạt động trong toàn bộ hay một phần tế bào Việc gửi kênh này được thực hiện sau khi BS nhận được bản tin truy nhập ngẫu nhiên

+ Kênh PCH - Kênh tìm gọi, là kênh mang dữ liệu cần thiết cho các thủ tục tin nhắn, đó là khi hệ thống muốn kết nối lien lạc với thuê bao

+ Kênh RACH - Kênh truy cập ngẫu nhiên, là kênh mang thông tin điều khiển từ thuê bao, như yêu cầu thiết lập một kết nối

+ Kênh CPCH - Kênh dữ liệu gói chung, là kênh mở rộng của kênh RACH, được sử dụng để truyền dữ liệu user dạng gói trên hướng lên Đi cặp với kênh này, ở hướng xuống dữ liệu gói được truyền trên kênh FACH

+ Kênh DSCH - Kênh chia sẻ đường xuống, là kênh mang các thông tin dữ liệu hoặc thông tin điều khiển của người dùng.‖

Hình 2.9 Ánh xạ giữa kênh logic và kênh giao vận

Mỗi kênh truyền chứa một mã chỉ thị định dạng truyền tải TFI TFI sử dụng

để phối hợp làm việc giữa lớp MAC và lớp vật lý Lớp vật lý sẽ đa hợp nhiều kênhtruyền tải với nhau để tạo nên một kênh truyền tải mã hóa hỗn hợp CCTRCH và gởi kèm kênh CCTRCH Tổ hợp mã TFCI truyền đi trong kênh điều khiển vật lý để thông báo với đầu thu kênh truyền tải đang tiêp nhận Tiếp

đó TFCI sẽ được giải mã và tạo ra các TFI tương ứng gởi lên lớp trên

2.4.3 Kênh logic

Kênh logic miêu tả loại thông tin được truyền đi Kênh logic được định nghĩa không giống như kênh vật lý hay kênh vận tải Các kênh logic này cũng được xem như là dịch vụ mà lớp MAC cung cấp cho lớp RLC Có hai loại kênh : Kênh điều khiển và kênh lưu lượng

Hinh 2.10 cấu truc kênh logic 2.4.3.1 Kênh điều khiển :

Kênh điều khiển chung :

+ Kênh điều khiển quảng bá-BCCH hoạt động ở tuyến xuống,đưa thông tin nhận biết tế bào ,mạng và tình trạn hiện tại của tế bào

+ Kênh nhắn tin-PCH cung cấp tin nhắn từ BS tới MS,PCH phát IMSI của thuê bao và yêu cầu phát lại trên RACH ,ngoài ra PCH cũng có thể dùng cung cấp các bản tin quảng bá dạng ASCII

+ Kênh truy cập hướng xuống DACH chuyển bản tin từ BS tới MS trong 1 cell

Kênh dành riêng :

+ Kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH

+ Kênh điều khiển liên kết ACCH

2.4.3.2 Kênh lưu lượng

Truyền thông tin của điện thoại hoặc số liệu bao gồm 2 kênh :

+ Kênh lưu lượng dùng riêng (DTCH) : Chuyển dữ liệu theo mô hình kết nối điểm-điểm về hai hướng đến một thuê bao và sử dụng để truyền thông tin tới người dùng

+ Kênh lưu lượng dùng chung (CTCH) : Chuyển dữ liệu theo mô hình kết nối điểm & điểm trên đường xuống, sử dụng để truyền thông tin cá nhân đến tất

cả thuê bao cùng nhóm

2.5 Những cải tiến WCDMA so với GSM

Sự xuất hiện của công nghệ WCDMA đã giúp cho người dùng di động 3G trải nghiệm được dịch vụ thoại, các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao :

+ Kết nối các dịch vụ Internet di động, email di động

+ Các dịch vụ đa phương tiện: tải ảnh, tải video, chia sẻ các hình ảnh, video qua thiết bị cầm tay lên mạng

+ Download các ứng dụng di động

+ Chơi game online

+ Các dịch vụ khẩn cấp và định vị GPS

+ Thực hiện gọi điện hình Video Call

Hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai khắp thế giới.Ở những phiên bản đầu tiên như R99 tốc độ và dung lượng truyền dữ liệu cải thiện một cách đáng kể đạt tới 2 Mbp/s.Tuy nhiên khi đưa các dịch vụ số liệu ra thị trường thì tốc độ vẫn đòi hỏi phải cải thiện ― Năm 2002 kênh truyền tải mới HS-DSCH

ở R5 hay còn gọi là HSDPA-kênh truy nhập xuống tốc độ cao được ra đời.Với khả năng cung cấp dung lượng cao hơn 50% so với kênh DCH/DSCH của R99 với trường Marcrocell và 100% với trường Microcell.Những cải tiến trong R6

đã nâng tốc độ truyền dẫn trên kênh đường lên đạt đến tốc độ 5.76 Mbp/s dung lượng kênh tăng lên gấp 2 lần so với kênh truyền tải đường lên trong R99.‖

Mục tiêu cải tiến của R5 và R6 là :

- Nâng cao tốc đột truyền dẫn trên cả hai hướng

- Tăng dung lượng của mạng / đơn vị tài nguyên mạng định sẵn cho nó

- Giảm trễ truyền dẫn cho cả hai hướng

Chính vì vậy mà công nghệ HSPA mà tiêu biểu là HSDPA đã được ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của WCDMA giúp cho người sử dụng truy nhập dữ liệu một cách nhanh chóng

CHƯƠNG III : CÔNG NGHỆ HSDPA 3.1 Khái niệm HSPA

HSPA là công nghệ truyền dẫn không dây di động bổ sung cho công nghệ WCDMA hay còn gọi là 3,5G Đây là công nghệ phù hợp cho truyền thông đa phương tiện IP băng rộng Bao gồm có :

+ Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002

+ Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 và tháng 12 năm 2004

Cả hai giao thức HSDPA và HSUPA kết hợp lại được gọi là HSPA Giao thức HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005, HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007

Bảng 3.1 Tốc độ đường truyền dữ liệu max của R6 HSPA năm 2010

HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độ (Mbp/s) 14,4 5, 67

Tốc độ truyền dữ liệu cao nhất lúc đầu của HSDPA ban đầu là 1,8Mbp/s và tăng lên dần 3,6Mbp/s ; 14,4Mbp/s và hiện nay tốc độ đạt đỉnh lên tới 42,2Mbp/s ở R8 (khi điều kiện là lý tưởng ) Thông thường các máy thường đạt tốc độ từ 30-38Mbp/s Đối với HSUPA ở giai đoạn ban đầu tốc độ truyền dữ liệu max từ 1-2Mbp/s Ở các giai đoạn tiếp theo tốc độ đạt từ 4-5,7Mbp/s (2010)

HSPA được triển khai trên WCDMA truyền dữ liêu có thể sử dụng một hoặc sử dụng cùng lúc hai sóng mang để có tốc độ truyền dữ liệu là max

Hình 3.1 HSPA khi sử dụng sóng mang (f2) hay cùng sóng mang với WCDMA

Hình 3.2 Truyền dữ liệu trên các giao diện khác nhau của R5-HSDPA

3.2 Truy nhập gói HSDPA

từ nguồn về điện thoại mà không thể làm ngược lại tải dữ liệu từ điện thoại về nguồn Công nghệ có thể được chia sẻ giữa tất cả các người dùng có sử dụng sóng radio,hiệu quả download tốt nhất

Hình 3.3 Mô tả tổng quan về HSDPA

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

- Mã Turbo

- Khả năng sửa lỗi gần với giới hạn lý thuyết

- Các kỹ thuật được sử dụng cho phép HSDPA hỗ trợ tốc độ 10 Mbp/s

- 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 1 Mbps

Hình 3.4 Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ

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, tối ưu-hóa cho các ứng dụng dữ liệu chuyển mạch gói

― Tốc độ download tối đa của công nghệ HSDPA lên tới 14.4 Mbp/s(2010)

và tốc độ hiện nay có thể được nâng lên gấp nhiều lần lên tới 42Mbp/s(2014) đưa đến một hiệu quả sử dụng tốt hơn.Thuê bao sử dụng HSDPA có thể nhận email với file 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 Dữ liệu chủ yếu mà HSPDA truyền tải chủ yếu dưới dạng nhạc và video.‖

Ngoài ra HSDPA còn sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng (Adaptive Modulation and Coding), HARQ nhanh (Hybrid Automatic Repeat Request), và lập lịch gói (Packet Scheduling) nhanh.Chúng được phối hợp chặt chẽ với nhau

và cho phép thích ứng với tham số truyền theo khoảng thời gian TTI để liên tục hiệu chỉnh kênh truyền dẫn dữ liệu để có chất lượng đường truyền tốt nhất

3.2.2 Cải tiến của HSDPA so với WCDMA

Trong WCDMA điều khiển công suất nhanh giúp ổn định chất lượng tín hiệu bằng việc tăng công suất phát chống lại sụ suy giảm tín hiệu thu Hậu quả

là công suất phát đỉnh tăng, nhiễu đa truy cập tăng gây giảm dung lượng mạng Hơn thế 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 Nút 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 của tế bào

Hình 3.5 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDMA

― Do không sử dụng điều khiển công suất HSDPA yêu cầu các kỹ thuật thích ứng liên kết khác để thích ứng các tham số tín hiệu phát nhằm liên tục bám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến

Một trong những yêu cầu thích ứng liên kết sẽ được đề cập trong khuôn khổ bài khoá luận này được gọi là ―điều chế và mã hoá thích ứng - AMC‖ Với

kỹ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hoá đựoc thích ứng một cách liên tục với chất lượng kênh thay cho việc hiệu 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 trong WCDMA do khả năng thích ứng chậm đối với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.‖

HSDPA tối thiểu hoá sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI, vấn đề này được thực hiện nhờ việc giảm độ rộng của TTI

từ 10 ms ở WCDMA xuống còn 2ms ở HSDPA Với sự bổ sung kỹ thuật HARQ nhanh, nó còn 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 được thông tin về thông tin chất lượng kênh hiện thời cho phép các kỹ thuật thích ứng liên kết và lập lịch gói theo dõi giám sát một cách liên tục các điều khiển vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, lớp điều khiển trung gian MAC thì làm nhiệm vụ giám sát kênh nhanh cho phép bộ lập lịch 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 dung với những lợi ích rât to lớn đối với việc cỉa thiện thông lượng của tế bào Việc chuyển dịch chức năng lập lịch đến Node B là thay đổi chính về kiến trúc nếu so sánh với phiên bản R99 của WCDMA.‖

Điểm khác biệt giữa HSDPA so với R99 :

 Không có điều khiển công suất nhanh, thay vào đó là thích ứng đường truyền bằng cách chọn tổ hợp các mã định kênh, tỷ lệ mã hóa kênh và điều chế thích hợp

 Hỗ trợ điều chế bậc cao hơn DCH.Với sử dụng điều chế biên độ 16 – QAM số bít mang trên một ký hiệu tăng gấp đôi so với điều chế QPSK của R99

 Nút B lập biểu cho người sử dụng trong từng TTI=2ms và thông báo kết quả lập biểu bằng báo hiueej nhanh lớp vật lý Với DHC báo hiệu lớp cao hơn từ

RNC ấn định mã bán cố định (SF tương ứng) TTI của DCH cũng lâu hơn (10,

 Không có phát không liên tục (DTX) tại mức khe HS-PDSCH hoặc được phát toàn bộ hoặc hoàn toàn không được phát trong 2ms TTI

3.2.3 Nguyên lý hoạt động của HSDPA

Tr uy ền dẫ

n H SD PA

Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA

HSDPA có những giải pháp là :

- Đan xen truyền dẫn ngắn trong thời gian TTI = 2ms

- Truyền dẫn nhiều mã,lớp vật lý tốc độ cao L1