Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viến
thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất. Để đáp ứng
nhu cầu về chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng
không ngừng được cải tiến.
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 hỗ
trợ tốc độ 140,8 Kb/giây dù tỷ lệ thường gặp chỉ là 56 Kb/giây. E-GPRS, hay
EDGE, là một bước tiến đáng kể từ GPRS với khả năng truyền dữ liệu 180
Kb/giây và được xếp vào hệ thống 2,75G.
Năm 2006, mạng UMTS tại Nhật đã nâng cấp lên HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access - Truy cập gói dữ đường xuống tốc độ cao) - là một tính
năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô
tuyến WCDMA/UTRA-FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên
tiến cho hệ thống thông tin di động 3.5G. HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới
kết hợp chặt chẽ với nhau cải thiện dung lượng mạng và tăng tốc dữ liệu đỉnh đối với
dung lượng gói đường xuống. Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà 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 động của
WCDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP.
Trong khuôn khổ khoá luận này, em đi vào nghiên cứu cấu trúc HSDPA và
ứng dụng vào mạng di động thế hệ thứ 3G. Đồng thời đưa ra phương pháp luận
cho các nhà khai thác mạng về tính hiệu quả của công nghệ này.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 1
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG MẠNG 3G (WCDMA)
I .Công nghệ W-CDMA
Công nghệ EDGE là một bước cải tiến của chuẩn GPRS để đạt tốc độ truyền
dữ liệu theo yêu cầu của thông tin di động thế hệ ba. Tuy nhiên EDGE vẫn dựa
(UTRAN), mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn
mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện
hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện
người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao
gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA,
và mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ
thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 3
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
UE (User Equipment)
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.
- 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 có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến
truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử :
- Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện I
ub
và U
u
. Nó
cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 4
PLMN,PSTNI
SDN
Internet
- Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC : Có chức năng sở hữu và điều khiển các
tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là
điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.
CN (Core Network)
- HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ
thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng bao gồm : Thông tin về các
dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ
bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) :
Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch
kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển
mạch kênh. VLR có chức năng 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 (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài.
- SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng
cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS).
- GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng
chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
Các mạng ngoài
- Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.
- Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.
Các giao diện vô tuyến
- Giao diện C
U
: 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 U
U
: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 5
• Kết nối Internet di động
• Email di động
• Các dịch vụ đa phương tiện, như ảnh kỹ thuật số và phim được thu và chia
sẻ qua các thiết bị cầm tay di động.
• Download các ứng dụng di động
• Video-theo-yêu cầu
• Chơi game online
• Các dịch vụ khẩn cấp và định vị nâng cao
• Các dịch vụ nhắn tin bấm-để-nói và bấm-để-xem video có thời gian chờ
thấp.
Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến
WCDMA và CDMA2000 đang được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới. Tính
đến thời điểm tháng 12 năm 2005 đã có hơn 160 hệ thống 3G được đưa vào sử
dụng trên phạm vi 75 quốc gia với tổng số thuê bao lên đến 230 triệu. Tuy ở phiên
bản đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cải thiện đáng kể.
Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps. Nhưng khi các dịch vụ số liệu
được đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thì dung lượng, tốc độ vẫn là
những đòi hỏi cần phải được giải quyết. Do đó, bước cải tiến đầu tiên đối với
WCDMA được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-DSCH ở R5
được hoàn thành vào đầu năm 2002. Những cải tiến trong R5 này thường được
nhắc đến với một tên gọi "HSDPA- Kênh truy nhập gói đường xuống tốc độ cao".
Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc
truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming. Truy
nhập dữ liệu kênh đường xuống tốc độ cao HSDPA có khả năng cung cấp dung
lượng cao hơn 50% so với kênh DCH/DSCH trong R99 với trường hợp
Marcrocell và 100% đối với Microcell, tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 7
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
Mbps. Qua thực tế triển khai các mạng di động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ
số liệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn trên hai hướng từ MS đến Node B và
này còn là xúc tác cho việc đẩy nhanh tốc độ tiêu thụ các sản phẩm máy di động
cầm tay công nghệ cao của các nhà sản xuất.
Ngoài ra, tự động yêu cầu truyền dẫn lại cũng là một trong ba kỹ thuật then
chốt được sử dụng tại lớp vật lý để đạt được cả 3 mục tiêu đã nêu trên thông qua
việc tận dụng kết thúc truyền dẫn sớm, được xử lý tại node B gần với giao diện vô
tuyến.
Chương 2 : GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HSDPA
1. Tổng quan về HSDPA
Mặc dù công nghệ 3G WCDMA hiện nay cho phép tốc độ dữ liệu gói lên
đến 2Mbps. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế của WCDMA có một số hạn chế :
• Không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói vốn rất phổ biến đối với đường
trục hữu tuyến
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 9
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
• Thiết kế dịch vụ 2Mbps hiện nay là chưa hiệu quả và chưa đáp ứng được
nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu
• Không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps
Vì thế, R5 được phát triển để khắc phục những hạn chế này. R5 là sự phát
triển quan trọng của mạng vô tuyến 3G kể từ khi WCDMA được chấp nhận là
công nghệ mạng vô tuyến 3G từ năm 1997
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
• ARQ ghép thích ứng
• Tự động thích ứng liên tục theo điều kiện kênh bằng cách ghép chèn thêm
thông tin khi cần
chia sẻ giữa tất cả các người dùng có sử dụng sóng radio, sóng cho hiệu quả
download nhanh nhất.
Ngoài ra HSDPA còn sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng (Adaptive
Modulation and Coding), HARQ nhanh (Hybrid Automatic Repeat Request), và
lập lịch gói (Packet Scheduling) nhanh. Những tính năng này được phối hợp chặt
chẽ và cho phép thích ứng các tham số truyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI
nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến.
I. Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 12
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh 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 nhằm chống lại sự suy
hao của 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 của toàn 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 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 của tế bào.
Tuy nhiên, 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
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 13
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
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
các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 15
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một
chỉ thị chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm
kỹ thuật điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có
thể hỗ trợ khi ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời. Đồng thời, UE gửi một
báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại
quá trình truyền dữ liệu. Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương
ứng cho từng UE trong một cell, Thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp
các gói của các UE một cách công bằng .
Vấn đề chúng ta cần quan tâm là chất lượng kênh đường truyền của mỗi
người sử dụng độc lập và cách xác định nó. Ví dụ như: tỷ lệ công suất ký
hiệu trên tạp nhiếu ( tỷ số Es/No), chất lượng bộ tách UE. Nút B có thể ước
lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh
điều khiển công suất phát theo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh
(CQI – Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển
vật lý dành riêng tốc độ cao ( HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũng mang
cả thông tin báo hiệu chấp nhận / không chấp nhận (Ask / Nask) ở dạng gói
dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết. Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ
thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử
dụng khác nhau.
Lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC – Medium Access
Control) được đặt tại nút B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các
giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng
như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn. So sánh với kỹ thuật
DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công
suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã
hoá Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cũng như hoạt động đa mã
mở rộng, kênh HS- DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kbps tới hơn
tại RNC thì kênh HS-DSCH lại chấm dứt ngay tại Node B nhằm mục đích điều
khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC-hs (lớp điều khiển truy cập trung gian tốc độ
cao), sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này và nằm ngay tại Node B. Do đó,
cho phép nhận các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể tiếp tục theo dõi
giám sát chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng
tín hiệu cho thuê bao tốc độ thấp. Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho
phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại
diễn ra nhanh hơn.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 18
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
Cấu trúc lớp MAC – hs
Đặc biệt hơn, lớp MAC – hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng HARQ cho
mỗi user, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên
của chúng ( ví dụ như lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thích hợp
cho mỗi TTI (ví dụ như thích ứng liên kết). Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên
MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc
cải tiến truyền tải của các kênh logic.
Lớp MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô
tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối ưu hóa dung lượng bộ
nhớ đệm của Node B.
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một chỉ
thị chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật
điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi
ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời. Đồng thời, UE gửi một báo nhận
(Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình
truyền dữ liệu. Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng
UE trong một cell, Thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE
một cách công bằng .
2.II.1.1 Cấu trúc kênh
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 19
đường truyền nhưng không thể đạt được tốc độ lớn nhất. Vì R99 ra đời với mục
tiêu chính là tăng dung lượng hệ thống cho các dịch vụ thoại so với hệ thống 2G
(GSM) mà thôi chứ chưa sự đạt được những yêu cầu và kỳ vọng đối dịch vụ số
liệu vì tốc độ hỗ trợ dữ liệu còn thấp (khoảng 384 kbps). Đối với dịch vụ thoại thì
chúng ta đã biết, nguồn tài nguyên (mã, công suất, nhiễu) yêu cầu để truyền dẫn
dịch vụ này là không thay đổi (do tốc độ truyền dẫn là không thay đổi) do đó điều
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 21
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
khiển công suất thực sự hiệu quả vì nó giảm nhiễu MAI làm cho dung lượng kênh
thoại mà hệ thống có thể đáp ứng trên một đơn vị tài nguyên vô tuyến tăng lên.
Tuy vậy khi triển khai các dịch vụ số liệu ( File Transfer, Internet Access, E-
mail,…) chúng ta thấy rằng đặc thù của những dịch vụ này là yêu cầu nguồn tài
nguyên rất lớn và trong khoảng một thời gian ngắn. Ví dụ như nếu truy nhập vào
một trang web nào đó thì cùng một lúc nội dung văn bản và hình ảnh của website
cần truyền đến máy đầu cuối trong một khoảng nhất định. Sau khi nội dung trang
web đã download về máy đầu cuối thì thông thường người sử dụng sẽ xem nội
dung và không truy nhập tài nguyên hệ thống nữa. Những dịch vụ mà yêu cầu
nguồn tài nguyên lớn và trong khoảng thời gian ngắn như vậy trong kỹ thuật người
ta gọi chung một tên là “bursty data service”.
Với kênh HS-DSCH trong HSDPA thì người ta cấp phát 15 mã trải phổ với
hệ số trải 16 để dùng chung giữa các máy trong cùng một sector. Các máy được
cấp phát tài nguyên trong từng khoảng thời gian nhất định (TDM). Bộ scheduler sẽ
cấp phát tài nguyên: bao nhiêu mã trải phổ, công suất là bao nhiêu phụ thuộc vào
yêu cầu dịch vụ, trạng thái kênh của user đó.
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 22
Báo cáo thực tập tốt nghiêp đề tài: “Công nghệ HSDPA trong mạng thông tin di động”
Trạng thái kênh của các user
Như hình vẽ trên, tại khoảng thời gian đầu tiên User 1 có trạng thái kênh tốt
nên bộ scheduler đưa ra quyết định cấp phát tài nguyên cho User này. Khi đã
quyết định cấp phát tài nguyên cho User 1 này kỹ thuật thích ứng cũng được áp
RNC cũng có thể chỉ rõ công suất được khuyến nghị cho HS-SCCH (độ lệch
liên quan tới các bit hoa tiêu của của kênh DPCH kết hợp). Công suất phát của
HS-SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tuỳ theo một chiến lược
điều khiển công suất nào cho HS-DCCH.
2.II.1.3 Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao: HS-DPCCH
Đây là kênh đường lên, được sử dụng mang tín hiệu báo nhận (ACK) đến
Node-B trên mỗi block. Nó cũng được dùng để chỉ thị Chất lượng kênh CQI
(Channel Quality), là yếu tố được sử dụng trong AMC.
Cấu trúc kênh HS-DPCCH
GVHD : NGUYỄN THỊ KIM NGÂN Page 25
Copyright: Tài liệu đại học ©