Công nghệ truy nhập gói đường tốc độ cao HSDPA

Chúng cho phép những người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với nhau hay với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng chuyển mạchcông cộng PSTN hoặc các mạng thông ti

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn T.S Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, sự chỉ bảo

tận tình của cô đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em cũng xin được gửi lờicảm ơn đến các Thầy, Cô giáo trong Khoa đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứucho em trong suốt năm năm học vừa qua Xin cảm ơn các bạn học và những ngườithân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc tôi khó khăn trong thời gianthực hiện đồ án tốt nghiệp này

Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đồ án tốt nghiệp sẽkhông tránh khỏi sai sót Em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp xâydựng của Thầy, Cô và các bạn để có thể tiếp tục phát triển theo hướng nghiên cứucủa mình

Em xin chân thành cảm ơn

Vinh ngày 15/05/2010

Sinh viên

Nguyễn Thị Hải yến

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thôngphát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất Để đáp ứng nhu cầu vềchất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng không ngừngđược cải tiến Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽviệc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động trong tương lai Cácdịch vụ do mạng thông tin di động cũng ngày càng phong phú hơn, ngoài các dịch

vụ thoại truyền thống, hệ thống thông tin di động hiện đại còn cung cấp thêm nhiềuloại hình dịch vụ số liệu khác với tốc độ cao

Tiền thân của 3G là hệ thống điện thoại 2G, như GSM, CDMA, PDC, PHS…GSM sau đó được nâng cấp lên thành GPRS hay còn gọi là thế hệ 2.5G GPRS hỗtrợ tốc độ 140.8 Kb/s nhưng thực tế chỉ là 56 Kb/s E-GPRS hay EDGE là một bướctiến đáng kể từ GPRS với khả năng truyền dữ liệu 180 Kb/s và được xếp vào hệthống 2.75G

Năm 2006, mạng UMTS tại Nhật đã nâng cấp lên HSDPA - là một tính năngmới được đề cập trong các phiên bản Re’5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vôtuyến W-CDMA/UTRA-FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiêntiến cho hệ thống thông tin di động 3.5G HSDPA bao gồm một tập các tính năngmới kết hợp chặt chẽ với nhau cải thiện dung lượng mạng và tăng tốc dữ liệu đỉnhđối với dung lượng gói đường xuống Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép cácnhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch

vụ hiện có và đạt chi phí thấp nhất Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di độngcủa W-CDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của3GPP.Trong khuôn khổ đồ án này, tác giả chủ yếu đi vào nghiên cứu cấu trúc củaHSDPA và ứng dụng vào mạng di động thế hệ thứ 3G

Nội dung đồ án bao gồm năm chương Chương 1 giới thiệu về lịch sử phát triển

và những đặc trưng của thông tin di động qua các thời kỳ Đồng thời chương nàycòn đề cập về các chuẩn xây dựng mạng 3G, các tham số chính của W-CDMA vàcác bước cải tiến của công nghệ W-CDMA Chương 2 trình bày một cách tổng quan

về HSPA, các tiêu chuẩn hóa, các giao thức, cấu trúc HSPA Trong chương còn nêu

ra giải pháp dung lượng vô tuyến với HSDPA Chương 3 chủ yếu đề cập về nguyên

lý hoạt động, mô hình giao thức, cấu trúc các kênh của HSDPA Ngoài ra, còn giớithiệu tới một khái niệm mới đó là HSDPA MIMO Chương 4 tập trung vào các kỹthuật được sử dụng trong HSDPA Bên cạnh đó còn đề cập tới các tham số liênquan tới các kỹ thuật và các ứng dụng trên HSDPA Chương 5 giúp ta có một cáchnhìn khái quát về công nghệ HSUPA Phần cuối của chương đề cập tới các côngnghệ sử dụng trong HSUPA, kiến trúc cũng như cấu trúc các kênh trong HSUPA

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Thông tin di động đang phát triển như vũ bão, chất lượng và dịch vụ ngày càngđược nâng cao đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng Trong đồ

án này tác giả chủ yếu tập trung đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích về côngnghệ HSDPA-công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao ở các khía cạnh nhưcấu trúc kênh, các khía cạnh kỹ thuật sử dụng trong HSDPA và các ứng dụng trênHSDPA Song song với HSDPA, tác giả còn đề cập đến công nghệ HSUPA-côngnghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao-là công nghệ hỗ trợ và bổ sung việc truyền

dữ liệu từ UE đến Node B mà không thể làm được khi sử dụng công nghệ HSDPA

Do HSDPA phát triển trên nền tảng của W-CDMA nên HSDPA chỉ thành công tạinhững nơi mà triển khai thành công W-CDMA

Mobile communication is developing as the sweeping, quality and service isincreasingly advanced to meet the increasing needs of users In this project theauthor focuses going into research, stady, analysis of HSDPA technology-highspeed downlink packet access-in aspects such as channel structure, the technicalaspects used in application over HSDPA Besides offering a review and evaluation,compared to previous technologies to realize the advantages of HSDPA technology

In parallel with HSDPA, the auther also refers to technology and technologyHSUPA-high speed uplink packet access technology-to support and supplement thedata from UE to Node B which can not be done when HSDPA technology BecauseHSDPA based development of W-CDMA to HSDPA only place where success inthe successful deployment of W-CDMA

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8

CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 10

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 17

1.1 Thông tin di động thế hệ 1G 17

1.2 Thông tin di động thế hệ 2G 18

1.3 Thông tin di động thế hệ 2.5G 19

1.4 Thông tin di động thế hệ 3G 20

1.5 Các chuẩn xây dựng mạng 3G 22

1.6 Các tham số chính của W-CDMA 22

1.7 Các bước cải tiến của công nghệ W-CDMA 25

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA 29

2.1 Khái quát và tiêu chuẩn hóa HSPA 30

2.1.1 Sự chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP 31

2.1.2 Sự chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP 31

2.2 Các giao thức và cấu trúc HSPA 32

2.2.1 Hệ thống quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến 32

2.2.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng 33

2.3 Giải pháp dung lượng vô tuyến với HSPA 36

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TRUY NHẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO HSDPA 37

3.1 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với W-CDMA 38

3.2 Nguyên lý hoạt động của HSDPA 39

3.3 Mô hình giao thức HSDPA 41

3.4 Cấu trúc kênh của HSDPA 42

3.5 Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH 44

3.5.1 Mã hóa HS-DSCH 47

3.5.2 Điều chế HS-DSCH 51

3.5.3 Sự điều chỉnh kết nối HS-DSCH 52

3.6 Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH 53

3.7 Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao HS-DPCCH 56

3.8 HSDPA MIMO 59

CHƯƠNG 4 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HSDPA VÀ ỨNG DỤNG TRÊN HSDPA 61

4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA 61

4.1.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ 61

4.1.2 Mã hóa và điều chế thích nghi AMC Kỹ thuật truyền dẫn đa mã 62

4.1.3 Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh HARQ 65

4.1.4 Lập lịch nhanh và hợp lý tại Node B 68

4.1.5 Lựa chọn vị trí tế bào nhanh FCSS 68

4.1.6 Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI 69

4.2 Chuyển giao trong HSDPA 69

4.2.1 Xác định ô tốt nhất và chuyển giao 69

4.2.2 Chuyển giao HS-DSCH giữa các ô (hay đoạn ô) trong cùng một RNC 70

4.2.3 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau 70

4.2.4 Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH 71

4.3 Tham số Iub 73

4.4 Tham số QoS 73

4.5 Sắp xếp gói 74

4.5.1 Nguyên lý cơ sở 74

4.5.2 Thuật toán sắp xếp gói 75

4.6 Các ứng dụng trên HSDPA 75

4.6.1 VoIP song công toàn phần và thúc đẩy trò chuyện 75

4.6.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của VoIP 75

4.6.1.2 Phương thức hoạt động 76

4.6.1.3 VoIP qua HSDPA 77

4.6.1.4 Trò chơi với thời gian thực 78

4.7 Luồng TV - di động 78

4.8 Email 79

CHƯƠNG 5 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN HSUPA 82

5.1 Lập biểu 83

5.2 HARQ với kết hợp mềm 85

5.3 Kiến trúc 86

5.4 Kênh dữ liệu vật lý dành riêng E-DPDCH 89

5.5 Kênh vật lý điều khiển vật lý dành riêng E-DPCCH 90

5.6 Kênh chỉ thị HARQ HICH 91

5.7 Kênh phụ cấp tỉ đối E-RGCH 92

5.8 Kênh cấp phát tuyệt đối EAGCH 93

5.9 Các loại đầu cuối HSUPA 94

KẾT LUẬN CHUNG 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của thông tin di động lên 4G 21

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc kênh của WCDMA 25

Hình 2.1 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1) 29

Hình 2.2 Những chức năng mới của HSDPA và HSUPA 30

Hình 2.2 Các mốc thời gian phát triển của 3GPP 30

Hình 2.3 Các kỹ thuật cho HSUPA 31

Hình 2.4 Kiến trúc giao thức phẳng Re’99 33

Hình 2.5 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng 34

Hình 2.6 Kiến trúc giao thức phẳng HSDPA cho người sử dụng 35

Hình 2.7 Kiến trúc giao thức phẳng HSUPA cho người sử dụng 35

Hình 3.1 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với W-CDMA 38

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA 40

Hình 3.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH 41

Hình 3.4 Cấu trúc lớp MAC-hs 42

Hình 3.5 Giao diện vô tuyến của HSDPA 43

Hình 3.6 Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp với W-CDMA 44

Hình 3.7 Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA 44

Hình 3.8 Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH 45

Hình 3.9 Trạng thái kênh của các user 46

Hình 3.10 Sơ đồ mã hóa Turbo trong HSDPA 47

Hình 3.11 Mã định kênh chia sẻ HS-DSCH trong HSDPA 48

Hình 3.12 Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH 48

Hình 3.13 HARQ trong HSDPA 49

Hình 3.14 HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã hóa Turbo 50

Hình 3.15 Sơ đồ chùm sao tín hiệu của QPSK và 16-QAM 52

Hình 3.16 Cấu trúc hai phần của kênh HS-SCCH 54

Hình 3.17 Hệ thống trong trường hợp 1 kênh HS-SCCH và phân chia đa thời gian 56

Hình 3.18 Hệ thống trong trường hợp nhiều kênh HS-SCCH và phân chia đa thời

gian 56

Hình 3.19 Cấu trúc kênh HS-DPCCH 57

Hình 3.20 Sơ đồ MIMO 2x2 59

Hình 4.1 Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH 62

Hình 4.2 Biểu diễn mã hóa điều chế của HSDPA và tốc độ bit đa khả dụng với mỗi mã theo dB 65

Hình 4.3 Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh (định thời không được mô tả) 66

Hình 4.4 Quá trình truyền lại block dữ liệu IR 67

Hình 4.5 Lập lịch nhanh và hợp lý 69

Hình 4.6 Đo và báo cáo ô (đoạn ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất 70

Hình 4.7 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc cùng một RNC 71

Hình 4.8 Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau 71

Hình 4.9 Chuyển giao HS-DSCH từ Node B có HS-DSCH sang một Node B chỉ có DCH 72

Hình 4.11 Ước lượng tiêu thụ công suất của điện thoại di động 80

Hình 4.12 Truy cập email từ mobile sử dụng pin 1000mA 80

Hình 5.1 Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B 84

Hình 5.2 Chương trình khung lập biểu của HSUPA 85

Hình 5.3 Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) 87

Hình 5.4 Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA 87

Hình 5.5 Cấu trúc kênh tổng thể với HSDPA và HSUPA 88

Hình 5.6 Cấu trúc khung của kênh EDPDCH 89

Hình 5.7 Cấu trúc khung của kênh EDPCCH 90

Hình 5.8 Cấu trúc khung của kênh EHICH 91

Hình 5.9 Ghép 40 tín hiệu E-HICHs/E-RGCH trên một mã kênh đơn 92

Hình 5.10 Cấu trúc khung của kênh EAGCH 94

CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Bảng 1.1 Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu 22

Bảng 1.2 Các thông số chính của WCDMA 24

Bảng 2.1 Các thông số tốc độ đỉnh HSPA 30

Bảng 3.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp 41

Bảng 3.2 Các loại đầu cuối 16-QAM với 10 mã 53

Bảng 3.3 Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau 60

Bảng 4.1 Ví dụ về MSC của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã 64

Bảng 4.2 Lược đồ mã hóa điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã 64

Bảng 4.3 Tổng quan về các loại chuyển giao trong HSDPA và các đặc tính của nó 72

Bảng 4.4 Nguyên lý sắp xếp gói 75

Bảng 5.1 Các loại đầu cuối R6 HSUPA 94

BLER BLock Error Rate Tỷ số lỗi khối

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phânBTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CDMA Code Division Multiple

DPCCH Dedicated Physical Control

CHannel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical CHannel Kênh vật lý riêng

DSCH Dowlink Share CHannel Kênh chia sẻ đường xuống

DTX Discontinuous Transmission Truyền không liên tục

E-DCH Enhanced Dedicated CHannel Kênh riêng tăng cường

EDGE Enhanced Data rate for GPRS Tốc độ số liệu tăng cường để

Evolution phát triển GPRSE-DPCCH E-DCH Dedicated Physical

E-HICH E-DCH Hybird ARQIndicator

CHannel

Kênh vật lý dành riêng phânđoạn

G

GBR Guaranteed Bit Rate Bảo đảm tốc độ bit

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chungGPS Global Positioning Satellite

HSDPA High Speed Dowlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc

độ caoHS-DPCCH Uplink High Speed Dedicated

Physical Control Channel

Kênh điều khiển vật lý dànhriêng tốc độ cao

HS-DSCH High Speed Dedicated Share

CHannel

Kênh chia sẻ dành riêng tốc độcao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HS-SCCH High Speed Share Control

CHannel

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độcao

HSUPA High Speed Uplink Packet

Viện các kỹ sư điện và điện tử

IMT International Mobile

Telecommunication

Hội thông tin di động quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISDN Integrated Subcriber Digital

Network

Mạng tích hợp thuê bao số

ITU International Telegraphic Liên minh viễn thông thế giới

Iu Giao diện được sử dụng để thông tin giữa RNC và mạng lõiIub Giao diện được sử dụng để thông tin giữa nút B và RNC

Iur Giao diện được sử dụng để thông tin giữa các RNC

IR Incremental Redundancy Tăng độ dư

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MCS Modulation and Coding

Scheme

Lược đồ mã hóa và điều chế

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

Giao thức hội tụ số liệu gói

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công

cộng

PS Packet Switching Chuyển mạch gói

PSTN Public Switching Telephone

Điều chế biên độ vuông góc

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature PhaseShift Keying

Điều chế khóa chuyển phaVuông góc (khóa chuyển phavuông góc)

Number

Số lần tái phát sóng

RTT Round Trip Time Thời gian đi vòng quanh

S

SINR

Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộngnhiễu

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SPI Scheduling priority Indicator Chỉ tiêu ưu tiên lập kế hoạch

gianTD-SCDMA Time Division Synchronous

CDMA

Đồng bộ mã thời gian CDMA

TFCI Transport Format

Combination Indication

Chỉ thị kết hợp khuôn dạngtruyền tải

TFRC Transport Format And Định dạng truyền tải và kết hợp

Resource Combination tài nguyênTTI short Transmission Time

Interval

Khoảng thời gian truyền dẫnngắn

U

UMB Ultra Mobile Broadband Băng thông di động siêu rộngUMTS Universal Mobile

WiMAX Worldwide Interoperability

for Microwave access

Thoại trên IP

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Thông tin di động thế hệ 1G

Vào cuối thể kỷ XIX các thí nghiệm của Marconi đã cho thấy thông tin vô tuyến

có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa và di động Thông tin vô tuyến thời bấygiờ sử dụng mã Morse, chủ yếu cho quân sự và hàng hải Cho tới năm 1928 hệthống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, đầu tiên cho cảnh sát Vào năm

1933, sở cảnh sát Bayonne đã thiết lập được một hệ thống điện thoại vô tuyến diđộng tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới Hồi đó các thiết bị điện thoại rấtcồng kềnh, nặng hàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tửtiêu thụ nguồn lớn Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạcđược với khoảng cách vài chục dặm Sau đó thì quân đội cũng đã dùng thông tin diđộng để triển khai và chỉ huy chiến đấu Các dịch vụ di động trong đời sống như

cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng không, hàng hải,… cũng đã dần sử dụng thôngtin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi Chất lượng thông tin di độnghồi đó rất kém Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thuđược là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau cả vềbiên độ, pha và độ trễ Tại anten thu, tổng vectơ của các tín hiệu này làm cho đườngbao của tín hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và nhanh Khi trạm di động tiếnhành, mức tín hiệu thu tức thời thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượngđàm thoại suy giảm trông thấy Ngày nay tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy vẫn tồntại song hồi đó chúng chỉ được chống lại bằng một kỹ thuật còn đơn giản trong khi

đó bây giờ nhờ công nghệ mạch tích hợp cỡ lớn VLSI cho phép sử dụng từ hàngtrăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn cho việc loại bỏ các ảnh hưởng xấucủa đặc tính truyền dẫn [1]

Băng tần sử dụng cho thông tin vô tuyến thời bấy giờ luôn khan hiếm Các băngsóng trung và dài đã được sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp vàcao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu Do công nghệ lúc đócòn thấp nên chưa đạt được chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF vàUHF Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không được áp dụng

để đạt được mật độ người sử dụng cao Do đó, chất lượng của thông tin di động kémhơn nhiều so với thông tin hữu tuyến

Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại hóa nhờ sự phátminh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ít năng lượng dựa trên vậtliệu bán dẫn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm Các hệthống vô tuyến di động mặt đất đã bắt đầu được sử dụng vào những năm 1940 songmới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhântrong cộng đồng

Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ như: mạch tích hợpthiết kế được một cách tùy chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, cácchuyển mạch nhanh dung lượng lớn…các mạng vô tuyến di động tế bào đã pháttriển rất nhanh Cứ khoảng 10 năm lại có một thế hệ vô tuyến di động tế bào mới,với các dịch vụ ngày càng mở rộng, chất lượng dịch vụ ngày một cao và vùng cungcấp dịch vụ ngày một rộng lớn Những năm của thập kỷ 1980 một số hệ thống tế

bào tương tự thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộngPLMR ra đời Các hệ thống loại này được gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bàothế hệ thứ nhất 1G, đây là hệ thống truyền tín hiệu tương tự tiêu biểu là Hệ thốngcác dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS của Mỹ công tác trên dải tần 800Mhz và Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 công tác trên dải tần 450

Mhz, rồi sau đó trên cả dải 900 Mhz (NMT 900) Làm việc ở dải UHF, các mạng

này cho thấy một sự thay đổi vượt bậc về độ phức tạp của hệ thống thông tin liên lạcdân sự Chúng cho phép những người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi

di động với nhau hay với bất kỳ đối tượng nào có nối tới các mạng chuyển mạchcông cộng PSTN hoặc các mạng thông tin số đa dịch vụ tích hợp ISDN Tuy chưahoàn hảo về mặt công nghệ và kỹ thuật như chất lượng truyền tin kém, vấn đề bảomật và việc sử dụng kém hiệu quả tài nguyên tần số…nhưng thế hệ di động 1G nàythực sự là một mốc phát triển quan trọng của ngành viễn thông[11]

1.2 Thông tin di động thế hệ 2G

Trong những năm 1990 sử dụng các hệ thống thông tin di động tế bào số (digital celluar systern) hay còn gọi là hệ thống vô tuyến thế hệ thứ hai 2G nó được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số (Digital Circuit Switched) Kỹ thuật

này cho phép sử dụng tài nguyên băng tần hiệu quả hơn nhiều so với 1G, tiêu biểu

là Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM của Châu Âu công tác trên dải tần 900Mhz và 1800 Mhz sử dụng đa truy nhập TDMA và song công FDD[12]

IS-136 được biết đến với tên D-AMPS sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA vàsong công TDD, nó được triển khai nhiều ở Châu Mỹ đặc biệt là Mỹ và Canada vàđược triển khai như một mạng overlay kỹ thuật số phủ trên nền hạ tầng mạngAMPS, nó cho tốc độ dữ liệu lên đến 30 Kb/s

CDMAOne là tên gọi của chuẩn ITU IS-95 sử dụng kỹ thuật đa truy cậpCDMA.CDMA được chuẩn hóa năm 1993 Ngày nay có hai phiên bản IS-95A vàIS-95B IS-95A dùng FDD với độ rộng kênh là 1.25 Mhz cho mỗi hướng lên vàxuống Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14.4 Kb/s IS-95B có thể cung ứng tốc

độ dữ liệu lên đến 115 Kb/s bằng cách gộp 8 kênh lại với nhau[1]

Ngoài các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế

hệ thứ hai cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như thư thoại, truyền số liệu

tốc độ thấp, truyền Fax, các tin ngắn,…Thông tin di động đã và đang phát triển hếtsức mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới.

Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chủ yếu vẫn nhắm vào phục vụdịch vụ thoại Dịch vụ số liệu chủ yếu vẫn là dịch vụ truyền số liệu chuyển mạchkênh tốc độ thấp (dưới 10 Kb/s)

EDGE ra đời để cải tiến tốc độ dữ liệu hơn nữa, tốc độ tối đa tầm 384 Kb/s.EDGE đôi khi còn được biết đến như công nghệ 2.75G

Việc nghiên cứu chuyển hóa các hệ thống thông tin di động từ 2G lên 3G thôngqua các hệ thống thế hệ 2.5G cũng đã được tiến hành, chủ yếu ở Mỹ và Châu Âu

Ở Mỹ, hệ thống CDMAOne (tên gọi trước đó là IS-95) được dự định phát triểnthành phiên bản 3G là CDMA2000 Các dịch vụ cơ bản mà CDMA2000 sẽ cungcấp là dịch vụ điện thoại di động truyền thống và các dịch vụ âm thanh tiên tiến như

thu thoại (voice-mail) và hội nghị âm thanh (audio-confrencing) Ngoài các dịch vụ

dữ liệu tốc độ thấp, CDMA2000 sẽ cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ trung bình

từ 64 Kb/s đến 144 Kb/s cho các ứng dụng như Internet và cả một tốc độ cao lên tới

2 Mb/s cho các dịch vụ chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói cao tốc.CDMA2000 sẽ cho phép các máy di động truyền các dịch vụ đa phương tiện, trong

đó việc kết hợp các tín hiệu với cả âm thanh, video và dữ liệu sẽ được xử lý đồngthời [11]

Ở Châu Âu, hệ thống thông tin di động GSM (thế hệ thứ hai) chỉ hỗ trợ đượcdịch vụ số liệu tốc độ thấp Tốc độ dữ liệu của người sử dụng trên giao diện vôtuyến sử dụng một kênh vật lý đơn (một khe thời gian đơn trên một khung TDMA)ban đầu chỉ là 9.6 Kb/s Tốc độ dữ liệu cực đại của người sử dụng trên một kênh vật

lý đơn sau đó được nâng lên đến 14.4 Kb/s nhờ giảm năng lực mã hóa kênh trênkênh toàn tốc bằng cách đục thủng symbol mã Để không phải nâng tiếp mức độ đụcthủng symbol mã hơn nữa, các giải pháp khác nhằm cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn

14.4 Kb/s là cho phép một trạm di động (MS) truy cập nhiều khe thời gian trong một

khung thời gian TDMA hoặc sử dụng sơ đồ điều chế với số mức điều chế cao hơn,chẳng hạn như sơ đồ điều chế biên độ vuông góc hay 8-PSK[1]

1.4 Thông tin di động thế hệ 3G

Nhờ sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu đối với các dịch vụ dữ liệu, nhất làđối với Internet, đã thúc đẩy mạnh mẽ công nghiệp vô tuyến và là động lực chínhđối với sự phát triển các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đa dịch vụ.Mạng 3G được đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, ứng dụng thời gian thực của hệthống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Dự án IMT–2000

đã xây dựng các yêu cầu chung nhất cho các hệ thống thông tin di động 3G nhằmphục vụ các loại hình dịch vụ, với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s Các yêu cầu cơ bảnđối với các hệ thống thông tin di động 3G gồm :

 Có khả năng truyền thông đa phương tiện với các tốc độ 384 Kb/s (đi bộ) và

144 Kb/s (trên xe) đối với môi trường ngoài trời có vùng phủ sóng tương đốirộng và tới 2 Mb/s đối với môi trường trong nhà có vùng phủ sóng hẹp

 Có khả năng lưu động và chuyển vùng quốc gia lẫn quốc tế

 Có khả năng tương thích, cùng tồn tại và liên kết với vệ tinh viễn thông

 Cơ cấu tính cước theo dung lượng truyền chứ không theo thời gian kết nối

Đã có tới mười sáu đề xuất tiêu chuẩn cho các hệ thống 3G, trong đó mười đềxuất cho các mạng 3G mặt đất và sáu đề xuất cho các hệ thống di động vệ tinhMSS Đa số các đề xuất đều ủng hộ chọn CDMA làm phương thức đa truy nhập.Các hệ thống thông tin di động vẫn đang được phát triển không ngừng Ở cácnước công nghiệp hóa, các mạng 3G tiếp tục phát triển và năm 2006 chứng kiếnnhững cuộc nâng cấp mạng đầu tiên từ UMTS lên HSDPA Nó cho phép nâng tốc

độ truyền dữ liệu của người dùng lên đến mức từ 1 đến 3 Mb/s Lộ trình phát triểncủa thông tin di động được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của thông tin di động [2]

Từ đó ta có được bảng so sánh công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu nhưbảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu [1]

3G - UMTS

Từ144Kb/s→2 Mb/s

- Video chất lượng cao

- Nhạc “Streaming”

- Video theo yêu cầu (VOD)

W-2000 và sau đó chon W-CDMA là giao diện nền tảng cho UMTS[3]

1.6 Các tham số chính của W-CDMA

 W-CDMA là hệ thống sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp Nghĩa là luồng thôngtin được trải trên một băng thông rộng bằng việc nhân luồng dữ liệu này vớimột chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN Để có thể hỗ trợ việc truyền dữ liệu ởtốc độ cao, hệ số trải phổ (SF) thay đổi và kết nối dựa trên nhiều mã trải phổđược hỗ trợ trong W-CDMA

 Tốc độ chíp sử dụng trong W-CDMA có tốc độ 384 Kb/s tương ứng vớibăng tần truyền dẫn W-CDMA là 5 Mhz (đối với CDMA2000 băng tầntruyền dẫn có thể là 3x1.25 Mhz hoặc 3.37 Mhz) Băng thông truyền dẫn lớnnhất của W-CDMA ngoài việc nhằm hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao còn manglại một vài ưu điểm khác như tăng hệ số phân tập đa đường

 W-CDMA 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 khungtruyền dẫn thì tốc độ dữ liệu là cố định Tuy nhiên tốc độ dữ liệu giữa cáckhung truyền dẫn khác nhau có thể giống nhau hoặc khác nhau

 W-CDMA có hai chế độ hoạt động đó là FDD và TDD Đối với FDD thì cáccặp tần số sóng mang với độ rộng 5 Mhz được sử dụng cho kênh truyền dẫnhướng lên và hướng xuống một cách tương ứng Trong khi đó ở chế độ TDDthì chỉ có một sóng mang độ rộng 5 Mhz được sử dụng cho cả đường lên vàđường xuống theo kiểu phân chia theo thời gian TDD được sử dụng ở giảibăng tần không chia cặp được

 Các BTS trong W-CDMA (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 trongmạng ví dụ như sử dụng GPS Chế độ làm việc không đồng bộ này giúp choW-CDMA trở nên dễ triển khai ở cấu hình Indoor và Micro cell

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

 Giao diện vô tuyến của W-CDMA được thiết kế để nhà vận hành có thể lựachọn sử dụng các công nghệ máy thu hiện đại như MUD, hệ thống antenthích ứng nhằm tăng dung lượng của mạng cũng như vùng phủ sóng của cáctrạm thu phát

Bảng 1.2 Các thông số chính của WCDMA

BPSK (hướng lên)

Phát hiện kết nối Kênh pilot ghép thời gian (hướng lên và hướng

xuống)Không có kênh pilot chung hướng xuốngGhép kênh hướng lên Kênh điều khiển, kênh pilot ghép thời gian

Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điềukhiển

Đa tốc độ Trải phổ biến đổi và đa mã

Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 1.6 Khz)

Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 218Trải phổ (hướng xuống) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 241Chuyển giao Chuyển giao mềm (Soft handoff)

Chuyển giao khác tần số

 W-CDMA được thiết kế để có thể triển khai bên cạnh hệ thống GSM thế hệ thứ 2 Nghĩa là W-CDMA có thể hỗ trợ chuyển giao giữa hai hệ thống W-CDMA và GSM nhằm đảm bảo có một sự dịch chuyển mềm dẻo khi triển khai mạng 3G-WCDMA[3] Các thông số chính của W-CDMA được cho bởi như bảng 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc kênh của WCDMA

Sơ đồ các kênh được sử dụng trong W-CDMA như hình 1.2 gồm 3 kênh cơ bản:

 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 Kênhlogic có thể hiểu là những công việc mà mạng và thiết bị cần phải thực hiện tạinhững thời điểm khác nhau Kênh logic này cũng có thể xem như là dịch vụ mà lớpMAC cung cấp cho lớp RLC ở trên nó

- Kênh vận tải: qui định bằng cách vào và với đặc trưng gì thông tin sẽ đượctruyền đi Đây là dịch vụ mà lớp vật lý cung cấp cho lớp MAC ở trên nó

- Kênh vật lý: chính là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi[8]

1.7 Các bước cải tiến của công nghệ W-CDMA

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

 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 chờthấp[1]

Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến W-CDMA

và CDMA2000 đang được triển khai rộng khắp thế giới Tuy ở phiên bản đầu tiênRe’99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cải thiện đáng kể Luồng tốc

độ số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mb/s Nhưng khi các dịch vụ số liệu được đưa vàotriển khai trên các mạng thương mại thì dung lượng, tốc độ vẫn là những đòi hỏi cầnphải được giải quyết Do đó, bước cải tiến đầu tiên đối với WCDMA được đánh dấubởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-DSCH ở Re’5 được hoàn thành vào đầunăm 2002 Những cải tiến trong Re’5 này thường được nhắc đến với một tên gọi

“HSDPA-Kênh truy nhập gói đường xuống tốc độ cao” Sự ra đời của HSDPAnhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn như cácdịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming Truy cập dữ liệu kênh đườngxuống tốc độ cao HSDPA có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn 50% so vớikênh DCH/DSCH trong Re’99 với trường hợp Marcrocell và 100% đối vớiMicrocell, tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14 Mb/s Qua thực tế triển khaicác mạng di động 3G cho thấy có nhiều dịch vụ số liệu phổ biến yêu cầu tốc độtruyền dẫn trên hai hướng từ MS đến Node B và ngược lại có tốc độ tương đươngnhau như các dịch vụ Real-time gaming và các dịch vụ trên nền TCP/IP Trong khi

đó, Re’5 mới chỉ đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫn bất đối xứngvới tốc độ truyền dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so với kênh đườnglên Nhược điểm này của Re’5 được khắc phục trong Re’6 được hoàn thành vào đầunăm 2005 với tên gọi cải tiến kênh đường lên hay là “HSUPA-kênh truy nhập góiđường lên tốc độ cao” và đây là bước cải tiến thứ 2 đối với chuẩn mạng truy nhập

vô tuyến W-CDMA[8] Những cải tiến trong Re’6 đã nâng tốc độ truyền dẫn kênhđường lên đạt đên tốc độ 5.76 Mb/s dung lượng kênh tăng lên gấp 2 lần so với kênhtruyền tải đường lên trong Re’99 Ba mục tiêu chính của hai bước cải tiến trongRe’5 và Re’6 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 MACđến gần hơn với giao diện vô tuyến ví dụ như chuyển chức năng truyền dẫn lại từRNC đến Node B Hơn thế nữa giảm thời gian của khung truyền dẫn cũng là mộtgiải pháp để giảm trễ Cụ thể khung thời gian truyền dẫn TTI của kênh DCH trongRe’99 là từ 10-80 ms trong khi đó khoảng thời gian này được làm giảm xuống còn 2

ms trong HS-DSCH của Re’5 Hoặc như với kênh đường lên cải tiến trong Re’6,ngoài hỗ trợ khung truyền dẫn 10 ms ở phiên bản trước, khung truyền dẫn 2 mscũng được sử dụng trong phiên bản này nhằm đạt được mục tiêu thứ 3 nêu trên.Mục tiêu 1 và 2 được thực hiện thông qua kỹ thuật thích ứng kênh bao gồm thayđổi 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 Điềuđáng chú ý là tăng ích của kỹ thuật thích ứng kênh không chỉ mang lại lợi ích chocác nhà vận hành mạng như ở các phiên bản trước mà còn mang lại lợi ích chokhách 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 sản phẩm máy di động cầm tay côngnghệ cao của các nhà sản xuất

Ngoài ra, tự động yêu cầu truyền dẫn lại cũng là một trong ba kỹ thuật then chốtđược sử dụng tại lớp vật lý để đạt được cả 3 mục tiêu trên thông qua việc tận dụngkết thúc truyền dẫn sớm, được xử lý tại Node B gần với giao diện vô tuyến[1].Mặc dù công nghệ 3G W-CDMA hiện nay cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mb/s 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 đườngtrục hữu tuyến

 Thiết kế dịch vụ 2 Mb/s hiện nay là không hiệu quả và cũng chưa đáp ứngđược nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu

 Không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10 Mb/s

Do đó, Re’5 tiếp tục được phát triển để khắc phục những hạn chế này Re’5 là sựphát triển quan trọng của mạng vô tuyến 3G kể từ khi W-CDMA được chấp nhận làcông nghệ mạng vô tuyến 3G từ năm 1997 với các đặc tính kỹ thuật của công nghệHSDPA gồm:

 Tương đương với CDMA200 1xEV (HDR)

 Điều chế và mã hóa 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 Mb/s

 Sử dụng hệ AMC khi được kết hợp với HARQ nhằm cải thiện dung lượngcủa hệ thống

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

 Trong một hệ thống dữ liệu và thoại được tích hợp với người sử dụng thoại(12.2 Kb/s) tải khoảng 30 Erl/sector và thông lượng sector của dữ liệu vẫnkhoảng 1 Mb/s [1]

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA

HSPA là kỹ thuật truy nhập gói tốc độ cao - đó là một công nghệ truyền dẫnkhông dây đang được ứng dụng cho các thiết bị thông tin di động Công nghệ nàygiúp tăng gấp đôi dung lượng mạng và giảm thời gian trễ đối với các dịch vụ tươngtác Hiện HSPA đã có hơn 130 mạng đang hoạt động trên toàn cầu và khoảng 50mạng đang được xây dựng HSPA hiện đang hỗ trợ tốc độ dữ liệu 14.4 Mbps cho

đường xuống (HSDPA) và 1.4 Mbps cho đường lên (HSUPA) Tính trung bình,

người sử dụng có thể download với tốc độ nhanh gấp 20 lần so với kết nối GPRSđang được các nhà khai thác tại Việt Nam cung cấp hiện nay Trong tương lai gần,HSPA sẽ được nâng cấp lên Release 8 với tốc độ 42 Mbps cho đường xuống và 12Mbps cho đường lên [4]

HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với W-CDMA Để nâng cấp W-CDMA lênHSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng Node B và RNC HSPAđược triển khai trên W-CDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng mộtsóng mang khác để đạt được dung lượng được thể hiện như hình 2.1

Hình 2.1 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với

Hình 2.2 Những chức năng mới của HSDPA và HSUPA [6]

2.1 Khái quát và tiêu chuẩn hóa HSPA

3GPP là tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin tế bào cho cả HSDPA

và HSUPA và đã đạt được kết quả rất tốt đối với bản phát hành công nghệ đa truynhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA Mặt khác 3GPP còn chịu trách nhiệmcho việc chuẩn hóa giải pháp toàn cầu về tốc độ dữ liệu cải tiến và hệ thống di động

cho hệ thống toàn cầu (GSM/EDGE) Các mốc thời gian phát triển của 3GPP như

hình 2.2[4]

Hình 2.2 Các mốc thời gian phát triển của 3GPP [4]

2.1.1 Sự chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP

Khi nghiên cứu về HSDPA, có sự thảo luận về việc làm thế nào để cải thiện việctruyền dẫn dữ liệu gói đường xuống trong Re’99 Vấn đề đưa ra là việc truyền dẫnqua lớp vật lý và tiến trình cơ sở BTS cũng được nghiên cứu đến đó là điều chế và

mã hóa, kỹ thuật thu nhận và truyền dẫn nhiều anten, vấn đề nhiều đầu vào nhiều

đầu ra (MIMO) cũng như là việc lựa chọn cell nhanh nhất (FCS).

Khi Re’5 được phát hành vào tháng 3 năm 2002, đã có sự hiệu chỉnh để có thểlàm với HSPA nhưng chức năng chính vẫn là những kỹ thuật của lớp vật lý Từnhững vấn đề liên quan đến HSPA, khái niệm MIMO vẫn chưa thể thực hiện đượctrong Re’5 và Re’6 mà vẫn được đưa ra thảo luận sau này khi mà đây là ưu điểmđược giới thiệu cho sự ra đời của Re’7[4]

2.1.2 Sự chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP

Trong tiêu chuẩn hóa 3GPP cho HSUPA vẫn được thực hiện dưới tên “kênh

dành riêng đường lên cải tiến” (E-DCH) Công việc bắt đầu với sự hiệu chỉnh pha

đối với HSDPA, bắt đầu với việc nghiên cứu thuật ngữ “sự cải tiến đường lên chokênh truyền dẫn dành riêng” vào tháng 12 năm 2002 Sự đầu tư về công nghệ trongviệc nghiên cứu HSUPA được chỉ ra trong hình 2.3

Hình 2.3 Các kỹ thuật cho HSUPA [4]

Vấn đề nghiên cứu kết thúc vào tháng 3 năm 2004 với việc bắt đầu của 3GPPđối với lớp vật lý HARQ và kỹ thuật dựa vào node B đối với đường lên cũng như là

độ dài TTI đường lên ngắn hơn

Trong khi HSUPA đang được thiết lập thì đã diễn ra sự phát triển trong việc cảitiến Re’6 HSDPA như hiệu quả của những đặc tính kỹ thuật đối với tính năng đầucuối với sự đa dạng về bộ thu hay cải thiện phạm vi đường lên với tối ưu hóa tínhiệu quay lại đường lên hoặc là sự cải tiến trong khu vực di động HSPA bằng tínhiệu nhanh hơn và thời gian xử lý ngắn đi

Các công việc liên quan đến hoạt động của HSDPA và HSUPA bao gồm có

chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS), độ trễ thực hiện cuộc gọi – đang

được giữ mức thấp hơn về thời gian để chuyển từ trạng thái nghỉ sang hoạt động

(Cell-DCH) Hầu hết các bước trong W-CDMA vẫn được giữ nguyên cho dù là

cuộc gọi CS hay PS Việc cải tiến sẽ tập trung đầu tiên vào việc làm thế nào để cảithiện sự thiết lập một cuộc gọi thoại Re’99 cũng như phương pháp đưa vào đối vớicác thiết bị đã tồn tại[4]

2.2 Các giao thức và cấu trúc HSPA

2.2.1 Hệ thống quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến

Chức năng quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến với HSDPA và HSUPA được rút

ra từ những chuyển đổi so với Re’99 Trong Re’99 việc điều khiển kế hoạch đều

dựa hoàn toàn vào bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) trong khi trong trạm cơ sở

hay Node B trong công nghệ 3GPP đây chính là điều khiển công suất liên kết chứcnăng Trong Re’99 có đến 2 RNC xung quanh mối nối thì một là cung cấp SRNC làcái đang được kết nối tới mạng lõi, kết nối kia có thể điều khiển sơ đồ đối với kênhdành riêng DCH và nó cũng được kết nối tới trạm thu nhận cơ sở BTS cũng cho

phép điều khiển kênh chung (giống như FACH)

Khi sự sắp xếp dịch chuyển tới BTS, ở đây có một sự thay đổi trên toàn bộ kiếntrúc của RRM SRNC vẫn sẽ giữ điều khiển chuyển giao và đây là một điểm sẽ

thích ứng với việc ánh xạ đối với tham số chất lượng dịch vụ (QoS) Với HSDPA,

vấn đề này rất đơn giản vì ở đây không có chuyển giao mềm đối với dữ liệuHSDPA, do đó không cần chạy dữ liệu người sử dụng qua nhiều hành trình Iub vàgiao diện Iur mặc dù HSDPA được truyền dẫn qua Iur trong quy trình kỹ thuật, thìviệc sử dụng của giao diện Iur có thể bị phá hủy bởi việc thực hiện định vị lại

SRNC, khi mà việc cung cấp cell kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HSDSCH) nằm dưới một điều khiển khác RNC (CRNC) Với Re’99 điều này không bị phá

hủy tại biên vùng RNC khi chuyển giao mềm được sẻ dụng giữa hai trạm cơ sởdưới các RNC khác nhau Cuối cùng thì diễn tiến của HSDPA có thể được trìnhbày bởi chỉ một RNC đơn [4]

2.2.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người

sử dụng

Chức năng cơ sở của lớp giao thức khác nhau có hiệu lực với HSDPA vàHSUPA giống Re’99 Kiến trúc có thể được xác định đối với từng phần phẳng

người sử dụng thực hiện dữ liệu người sử dụng và điều khiển phần phẳng Lớp RRCtrong việc điều khiển từng thành phần phẳng thực hiện tất cả các tín hiệu liên quanđến việc cấu hình các kênh, thiết bị quản lí di động,…điều này ẩn từ đầu cuối sửdụng và được chỉ ra thông qua kiến trúc giao thức trong hình 2.4.

Hình 2.4 Kiến trúc giao thức phẳng Re’99 [4]

Giao thức chuyển đổi dữ liệu gói (PDCP) có một bộ nén tiêu đề chức năng

chính và nó không thích hợp đối với các dịch vụ chuyển mạch Điều quan trọng củaviệc nén tiêu đề là có thể biết được tiêu đề của giao thức internet không được nén

có thể là 2 hay 3 lần kích thước của chính trọng tải gói thoại của nó[4]

Việc điều khiển kết nối vô tuyến (RLC) thực hiện phân đoạn và truyền dẫn lại

đối với cả dữ liệu người sử dụng và dữ liệu điều khiển RLC có thể hoạt động trong

ba chế độ khác nhau:

 Chế độ trong suốt là khi mà không có bit trên đầu được đưa vào lớp RNC ví

dụ như âm thanh AMR không thể dùng được khi mà kênh truyền dẫn củaHSDPA và HSUPA được sử dụng

 Chế độ không báo nhận là khi không có việc thực hiện truyền dẫn lại lớpRLC Điều này được sử dụng đối với các yêu cầu có thể cho phép việc mấtmột vài gói như trường hợp đối với VoIP và không cho phép sự thay đổi độtrễ truyền theo mức độ truyền lại RLC

 Hoạt động theo chế độ báo nhận là khi mà việc phân phối dữ liệu được thựchiện và đảm bảo những lần truyền lại lớp RLC với đầu vào yêu cầu tất cả cácgói đều được phân phối[4].

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) trong Re’99 tập trung vào ánh xạ

giữa các kênh logic và thực hiện truyền ưu tiên giống như lựa chọn của tốc độ dữliệu đang được sử dụng Cả HSDPA và HSUPA đều giới thiệu những thành phầnmới trong kiến trúc Các chức năng của lớp MAC đối với HSDPA và HSUPA cóthể hoạt động độc lập trong hoạt động của DCH trong Re’99 nhưng lại chiếm mộtaccount khắp cả giới hạn tài nguyên của giao diện[6]

Hình 2.5 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu

người sử dụng [6]

Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng như

hình 2.5 nhưng giao diện phẳng không được thể hiện (trong giao diện phẳng này báo hiệu được nối đến RLC sau đó được đưa lên DCH hay HSDPA hoặc HSUPA).

Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP MAC-hs thực hiệnchức năng lập biểu nhanh dựa trên node B

Đối với HSDPA chức năng MAC mới (MAC-hs) được đặt trong node B để xử lý

phát lại nhanh dựa trên HARQ, lập biểu và ưu tiên Nếu như HSDPA yêu cầutruyền lại lớp vật lý thì lớp RLC vẫn thực hiện truyền lại do có thể hoạt động củalớp vật lý bị lỗi hoặc đặc biệt trong kết nối với các hoạt động di động khác nhưchuyển đổi cell HS-DSCH phục vụ Điều này được giả thiết là chế độ báo nhận

RLC hoạt động Ta có kiến trúc giao thức phẳng HSDPA cho người sử dụng nhưhình 2.6.

Hình 2.6 Kiến trúc giao thức phẳng HSDPA cho người sử dụng [4]

Đối với HSUPA chức năng MAC mới (MAC-e) được đặt ở node B để xử lý phát

lại nhanh dựa trên HARQ, lập biểu và ưu tiên Tại UE chức năng MAC-e mới được

sử dụng để xử lý lập biểu và HARQ dưới sự điều khiển của MAC-e trong node B

Chức năng MAC mới (MAC-es) được đặt trong RNC để sắp xếp lại thứ tự gói trước

khi chuyển lên các lớp trên Sự sắp xếp lại này là cần thiết vì chuyển giao mềm cóthể dẫn đến các gói từ node B khác nhau đến RNC không theo thứ tự Kiến trúcgiao thức phẳng HSUPA cho người sử dụng như hình 2.7

Hình 2.7 Kiến trúc giao thức phẳng HSUPA cho người sử dụng [4]

Không giống như HSDPA, lớp RLC trong HSUPA thực hiện truyền dẫn lại cácgói nếu như lớp vật lý lỗi để phân phối chính xác chúng sau khi số lượng tối đa lầntruyền lại bị vượt quá hay kết nối với các biến cố di động[4]

2.3 Giải pháp dung lượng vô tuyến với HSPA

Chất lượng của một hệ thống vô tuyến được xác định thông qua việc các chươngtrình ứng dụng được sử dụng thông qua mạng vô tuyến như thế nào Thuật ngữkhóa để có thể xác định chất lượng các chương trình ứng dụng bao gồm tốc độ dữ

liệu và thời gian trễ mạng Các chương trình ứng dụng đó vẫn có thể được đón nhậnvới tốc độ bit chậm với vài chục Kb/s nhưng yêu cầu độ trễ phải thấp, giống nhưVoIP và các trò chơi hành động thời gian thực Mặt khác thời gian tải xuống của sốlượng lớn các file chỉ được xác định bởi tốc độ dữ liệu lớn nhất và thời gian chờkhông đóng vai trò gì GPRS Re’99 cung cấp 30-40 Kb/s với thời gian chờ là 600

ms EGPRS Re’4 không chỉ tăng tốc độ bit lên cao hơn từ 3-4 lần mà còn giảm thờigian chờ xuống còn 300 ms Tốc độ dữ liệu và thời gian chờ cho phép chất lượngcác chương trình ứng dụng đều đặn đối với các chương trình ứng dụng di động cơ

sở bao gồm duyệt giao thức ứng dụng không dây (WAP) và ấn để nói (push to talk).

HSPA hiện tại đang được thiết kế để tạo ra tốc độ bit cao không chỉ đối với cácứng dụng thời gian thực HSPA có thể đáp ứng dung lượng hoạt động cũng như đốivới các chương trình ứng dụng có thời gian trễ và tốc độ bit thấp như VoIP

Hiệu suất trải phổ cao và dung lượng tế bào cao để đáp ứng tốc độ bit cao hơn

và các thiết bị mới với cùng trạm gốc hiện tại.HSPA cơ sở bao gồm một anten nhậnRake trong thiết bị đầu cuối và 2 anten nhánh đa dạng trong các trạm gốc HSPA cảitiến thì bao gồm 2 anten điều chỉnh di động và bộ khử nhiễu trong trạm gốc Nhưvậy HSPA có thể đem lại lợi ích về chất lượng và dung lượng HSPA cơ sở có dunglượng tế bào cao gấp 3 lần so với W-CDMA và HSPA cải tiến thì có dung lượng tếbào cao gấp 6 lần W-CDMA Dung lượng của HSPA không chỉ thích hợp đối vớicác dịch vụ đối xứng mà còn với cả dịch vụ không đối xứng với tốc độ dữ liệu vàdung lượng đường xuống cao [4]

liệu đường xuống và được xem như là sự phát triển mang tính cách mạng của mạngtruy nhập vô tuyến W-CDMA Đây được coi là sản phẩm của dòng 3.5G Côngnghệ này cho phép dữ liệu download về máy điện thoại có tốc độ tương đương vớitốc độ đường truyền ADSL HSDPA có tốc độ truyền tải dữ liệu lên tối đa gấp 5 lần

so với khi sử dụng công nghệ W-CDMA Về mặt lý thuyết HSDPA có thể đạt tốc

độ truyền tải dữ liệu lên tới 8-10 Mb/s Mặc dù có thể truyền tải bất cứ dạng dữ liệunào song mục tiêu chủ yếu của HSDPA là dữ liệu dạng video và nhạc [4]

HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA sử dụng các phươngpháp chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bêntrong W-CDMA được gọi là HS-DSCH còn gọi là kênh chia sẻ đường xuống tốc độcao Kênh truyền tải này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thôngthường và cho phép thực hiện download với tốc độ vượt trội Và đây là một kênhchuyên dụng cho việc download Nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồnđến điện thoại Song quá trình ngược lại tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến mộtnguồn tin thì không thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA Ngoài racông nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các người dùng sử dụng sóng radio-làsóng cho hiệu quả download nhanh nhất [4]

Ngoài HS-DSCH còn có 3 kênh truyền tải dữ liệu khác cũng được phát triểngồm có HS-SCCH, HS-DPCCH, HS-PDSCH Kênh HS-SCCH thông báo chongười sử dụng về thông tin dữ liệu sẽ được gửi vào các cổng HS-DSCH

Mặt khác, HSDPA còn sử dụng điều chế và mã hóa thích ứng (Adaptive Modulation and Coding), 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 sốtruyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi củachất lượng kênh vô tuyến

3.1 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với W-CDMA

Hình 3.1 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với W-CDMA[5]

Hình 3.1 mô tả các tính năng cơ bản của HS-DSCH được bổ sung hoặc bị loại đi

so với công nghệ W-CDMA Với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọngnhất của công nghệ W-CDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổbiến thiên không còn được sử dụng [5]

Trong W-CDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tínhiệu nhận được (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát nhằm chống lại sự suy haocủa tín hiệu thu được Điều này sẽ tạo ra các giá trị đỉnh trong công suất phát vàtăng nền nhiễu đa truy cập, do đó sẽ làm giảm dung lượng của toàn mạng Hơn thếnữa, sự hoạt động của điều khiển công suất yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo mộtmức dự trữ nhất định trong tổng công suất phát của Node B để thích ứng với cácbiến đổi của nó Loại bỏ được điều khiển công suất sẽ tránh được các hiệu ứng tăngcông suất kể trên cũng như không cần tới dự trữ công suất phát của tế bào [6].Tuy nhiên, do không sử dụng điều khiển công suất, HSDPA yêu cầu các kỹthuật thích ứng liên kết khác để thích ứng các tham số tín hiệu phát nhằm liên tụcbám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến

Một trong những yêu cầu thích ứng liên kết là “điều chế và mã hóa thích AMC” Với kỹ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng một cách liêntục với chất lượng kênh thay cho việc hiệu chỉnh công suất Truyền dẫn sử dụng

ứng-nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết Sự kết hợpcủa hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổbiến thiên trong W-CDMA do khả năng thích ứng chậm đối với sự biến thiên củatruyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.

Do HSDPA không còn sử dụng điều khiển công suất vòng kín, phải tối thiểuhóa 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 W-CDMA xuốngcòn 2 ms ở HSDPA Với sự bổ sung kỹ thuật HARQ nhanh, nó còn cho phép phátlại một cách nhanh nhất các Block dữ liệu bị mất hoặc bị lỗi và khả năng kết hợpvới thông tin mềm ở lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó [5]

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 cácđiều khiển vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, lớp điều khiển môi trường MACthì làm nhiệm vụ giám sát kênh nhanh cho phép bộ lập lịch gói nhanh và đặc tínhchia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH về bản chất có thể xem như phân tập lựachọn đa người dùng với những lợi ích thật to lớn đối với việc cải thiện thông lượngcủa tế bào Việc chuyển dịch chức năng lập lịch đến Node B là thay đổi chính vềkiến trúc nếu so sánh với phiên bản Re’99 của W-CDMA [5]

3.2 Nguyên lý hoạt động của HSDPA

Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA được mô tả như hình 3.2

HSDPA gồm các giải pháp:

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

 Mã hóa và điều chế thích ứng AMC

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

 Yêu cầu lặp lại tự động lai HARQ

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA [6]

Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi vào một chỉthị chất lượng kênh CQI tới Node B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuậtđiều chế và mã hóa, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ởdưới 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 trìnhtruyền 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 UEmột cách công bằng

Vấn đề mà 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 trêntạp âm (Tỷ số Es/No), chất lượng bộ tách UE Node B có thể ước lượng tốc độ dữliệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất pháttheo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI) đặc thù của HSDPA trên kênhđiều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũngmang cả thông tin báo hiệu chấp nhận/không chấp nhận (ACK/NACK) ở dạng góidựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thốngchia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau[6]

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) được đặt tại Node B, do đó chophép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quảhơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn So sánhvới kỹ thuật DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiệncông suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóaTurbo tốc độ thay đổi, điều chế 16-QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênhHS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kb/s tới hơn 10 Mb/s Quá trình điềuchế và mã hóa thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20 dB, và mở rộng hơn nữa

Tốc độ dữ liệu(15 mã)

3.3 Mô hình giao thức HSDPA

Hình 3.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH [5]

Trong sơ đồ cấu trúc HSDPA ở hình 3.3, 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 dàngtruy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến Kỹ thuật sắp xếp gói tin