Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động phát triển rất nhanh, theo hiệp hội viễn thông quốc tế
(ITU) số thuê bao điện thoại di động toàn cầu hiện đạt mức 4,6 tỷ thuê bao và
dùng rộng rãi thế hệ thứ ba (3G), có thể cung cấp đa dạng dịch vụ với tốc độ
cao, chất lượng cao, và đang hướng đến 4G.
Các mạng 3G đã triển khai nhiều nước trên thế giới, ngay cả trước khi
chúng được khai thác, các hoạt động nâng cấp chúng đã được quan tâm – đề
án công tác thế hệ ba (3GPP – The Third Generation Partnership Project).
Khoảng 10 năm trước, số thuê bao di động 3G trên toàn thế giới khoảng trên
300 triệu, nhưng đến năm 2007 đã lên tới 3,1 tỷ và hiện nay là 4,6 tỷ (nghĩa là
hơn một nửa số dân trên thế giới). Theo thống kê, hiện trên thế giới có khoảng
hơn 300 mạng UMTS, trong đó có hơn 35 mạng HSPA đang hoạt động, với
hơn 200 triệu khách hàng. Nói cách khác, gần 40% thuê bao 3G trên thế giới
hiện đang được sử dụng công nghệ truyền tải dữ liệu tốc độ cao HSPA; ngoài
ra đến 2011 LTE – giai đoạn đầu của 4G cũng sẽ được triển khai.
Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speech Downlink
Packet Access) là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp
tốc độ lên tới 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường
của 3GPP – 3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều
biến QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. HSDPA hoạt động
trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và
sử dụng AMC (Adaptive Modulation and Coding – mã hóa kênh và điều biến
thích nghi). Để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu.
Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn
HSUPA (High Speech Uplink Packet Access – truy nhập gói đường lên tốc độ
cao) là công nghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ
3,5G. Đây là công nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ đường lên: từ 1,4Mbps đến
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
1
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
vào kế hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi tiến hành hiệu chỉnh
WCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần
có một số cải thiện cho truy nhập gói. Để cho phép phát triển này, nghiên cứu
khả thi (danh mục nghiên cứu) cho HSDPA vào đầu năm 2000. Nghiên cứu
này được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủng
hộ). Các hãng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia
thuộc phía các nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTT DoCoMo thuộc
phía các nhà khai thác.
Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN. Trong
danh mục nghiên cứu HSDPA có các vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyền
dẫn số liệu gói đường xuống so với R3. Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý
và lập biểu dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hóa và điều biến
thích nghi. Cùng với nghiên cứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiều
anten (MIMO) và vấn đề chọn nhanh FCS (Fast Cell Selection).
Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu
MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, và
đây là lý do nó có mặt trong các chuyên đề R7. Nghiên cứu khả thi FCS đã
đưa ra kết luận, lợi ích nhận được không nhiều so với việc tăng thêm độ phức
tạp. Sau kết luận này không đưa ra các nghiên cứu nào về FCS. Trong khi tập
trung vào ghép song công phân chia theo tần số (FDD), ghép song công phân
chia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
3
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD(TDD băng hẹp và băng
rộng).
b.Chuẩn hóa HSUPA :
Chuẩn hóa HSUPA là thuật ngữ được dùng rộng rãi trên thị trường;
trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên
“kênh riêng đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Uplink Dedicated
trên hình 1.3.
Hình 1.3 – Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP
1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA):
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
Lập biểu nhanh
đường lên dựa
trên nút B
TTI ngắn hơn
cho đường lên
HARQ cho
đường lên
HSUPA
10/02
04-11/04
03/04
2005
12/04
Quyết định
tích cực
Các thực hiện
để tiến vào thị
trường
03/04
02/04
Bắt đầu nghiên
cứu khả thi
Phân tích ảnh
hưởng và lợi ích
trong nhóm công
tác
thông tin khác nhau và sau đó sử dụng hai (hay nhiều) anten kết hợp với xử lý
tín hiệu tiên tiến tại đầu cuối để phân tích các luồng này như minh họa trên
hình 1.4.
Hình 1.4 – Nguyên lý MIMO với hai anten phát và hai anten thu
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
Đầu cuối với
máy thu và
khả năng
giảm mã
MIMO
PA – Bộ khuếch
đại công suất
Các bộ lọc RF
và băng gốc
Phần phát BTS
với khả năng có
hai máy phát trên
một đoạn ô
Giải trải
phổ và
giải mã
không
gian thời
gian
6
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
Thách thức chủ yếu là phải chứng minh rằng liệu có nhận được tăng độ
lợi đáng kể so với độ lợi nhận được từ các cải thiện hiệu năng trong R6 và các
giải pháp cải thiện dung lượng hiện có bằng cách bổ sung thêm máy phát. Các
kết luận trong 3GPP cho đến thời điểm này chỉ là trong môi trường ô vĩ mô;
Quá trình nghiên cứu được, tiến hành trong nhóm TSG 3GPP LTE/SAE
dưới điều hành của PCG ( Project Coordination Group – nhóm điều phối đề
án 3GPP ) được mô tả trên hình 1.6.
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
R3 (R99)
12/1999
CS và PS
Các kênh
mang R3
MMS
Các dịch vụ định
vị
R4
03/2001
Các tăng
cường
TD – SCDMA
……………..
R5
03/2002
HSDPA
IMS
Thoại AMR
- WB
……………
R6
05/2005
Đường lên
tăng cường
(E - DCH)
(Đo kiểm đầu
cuối)
TSG GERAN
(mạng truy nhập
vô tuyến)
GERAN WG1
(đặc tả lớp 1 vô
tuyến)
GERANWG2
(đặc tả lớp 2 và
RR lớp 3
vôtuyến)
GERAN WG3
(đặc tả IuB, Iur,
Iu)
GERAN WG4
(Hiệu năng vô
tuyến)
GERAN WG5
(đo kiểm lớp
chuẩn đầu cuối)
GERAN SA
(các vấn đề dịch
vụ và hệ thống)
TSG CT
(mạng lõi và đầu
cuối)
SA WG1
(các dịch vụ)
CT WG5
Kết nối mạng Hoàn toàn IP
Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục
Trễ Thấp hơn 3G
Trễ kết nối Thấp hơn 500ms
Trễ truyền dẫn Thấp hơn 5ms
Giá thành/bit 1/10 – 1/100 thấp hơn 3G
Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G ( khoảng 1/10 )
Hình 1.7 – Các khả năng của IMT – 2000 và các hệ thống sau
IMT – 2000 theo khuyến khích M.1654 của ITU – R
ITU – R WP 8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới
cho các khả năng IMT – 2000, tuy nhiên chưa chỉ ra công nghệ nào. Thuật
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
Thấp
100Mbps10Mbps1Mbps
Khả năng di động
Cao
IMT - 2000
tăng cường
IMT - 2000
Phát triển 3G
truy nhập
không dây nội
hạt/****
1000Mbps
truy nhập vô
tuyến mới
10
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
ngữ IMT-Adv được sử dụng cho các công nghệ sau IMT – 2000 và chứa các
khả năng cho hệ thống trước đó. Quá trình IMT – Adv đang được khởi thảo
năm 2008.Trong giai đoạn đầu HSUPA là 1-2 Mbps trong giai đoạn hai đạt
đến 4
÷
5,7 Mbps vào 2008.
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
20052000
2015201019951985
<200kbps 300kbps – 10Mbps <100Mbps 100Mbps – 1Gbps<10kbps
Khả năng di động
Trung bình
Thấp
Cao
GSM
cdma ONE
HSPA
1xEVDO
Thời gian
AMPS
TACS
LTE
Tốc độ số liệu
1G
2G
3G
3G
+
WIFI/IEE
E 802.11
IMT –
Advanced 4G
Đầu cuối
Nút B
RNC
R5 HSDPA
Số liệu
từ
GGSN
Iu-CSIub
SGSN
Tốc độ bit Iub
0 – 3 Mbps
Thông số Q
o
S:
tốc độ bit cực
đại: 3Mbps
Tốc độ HS –
DSCH đỉnh 14,4
Mbps
trên 2ms
13
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
Hình 1.10 - Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện
( trường hợp HSDPA)
Tốc độ đỉnh (14,4 Mbps trên 2ms) tại đầu cuối chỉ xảy ra trong thời điểm
điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps.
Để đảm bảo truyền lưu lượng mạng tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu
lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.
1.4.2. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người
sử dụng:
MAC – es: thực thể MAC kênh E – DCH để sắp xếp lại thứ tự.
Hình 1.11 - Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA
cho số liệu người sử dụng
1.5. TỔNG QUAN LTE :
Nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE có thể tóm tắt như sau:
+ Về phần vô tuyến (LTE):
• Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người dùng, trễ.
• Đơn giản hóa mạng vô tuyến.
• Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS.
+ Về phần mạng (SAE):
• Cải thiện trễ, dung lượng, thông lượng.
• Đơn giản mạng lõi.
• Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ.
• Đơn giản hóa việc hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ
không phải 3GPP.
Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra các chuẩn mạng truy nhập vô
tuyến với tên gọi là E –UTRAN (Enhanced Universal Terrestrial Radio
Access Network – mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường), để
đơn giản ta gọi chung là LTE. Dưới đây ta xem xét tổng quan kiến trúc LTE
và kế hoạch nghiên cứu 3GPP.
1.5.1. Tốc độ số liệu đỉnh :
LTE sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể. Tốc độ này được định
cỡ tùy theo kích thước của phổ được ấn định. Tốc độ đỉnh tức thời của LTE
cho đường xuống đạt đến 100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là
20MHz (5bps/Hz), và tốc độ đỉnh đường lên là 50Mbps khi băng thông được
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
15
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
cấp phát cực đại là 20MHz (2,5bps/Hz) băng thông LTE được cấp phát linh
hoạt từ 1,25MHz đến 20MHz, nghĩa là gấp 4 lần băng thông 3G UMTS.
nút B và một anten tại UE; còn LTE sử dụng 2 anten tại nút B và một anten
tại UE. Cần lưu ý rằng, sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và
lên là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường lên và đường xuống.
Thông thường đường lên rất nhạy cảm với nhiễu vì thế giá thành để đảm bảo
hiệu quả tách sóng trong đường lên cao hơn đường xuống.
Bảng 1.2 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần
giữa LTE và HSDPA
Thông số HSDPA (R6) LTE Đích LTE/yêu cầu
Tốc độ đỉnh
(Mbps)
14,4 144 100/ đã đạt
Hiệu suất phổ tần
(bit/Hz/s)
0,75 14,84 3
÷
4 lần HSDPA/đạt 2,5
Thông lượng
người sử dụng
0,006
0,014
8
2
÷
3 lần HSDPA/ đạt
Bảng 1.3 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần
giữa LTE và HSUPA
Thông số HSDPA (R6) LTE Đích LTE/yêu cầu
Tốc độ đỉnh
(Mbps)
5,7 57
vào băng tần được cấp phát). Việc đảm bảo tốc độ 350 km/h cần thiết để duy
trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung
cấp dịch vụ trong các hệ thống tàu hỏa cao tốc. Trong trường hợp này cần sử
dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt. Khi thiết lập các thông số lớp
vật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ đến 350 kmph thậm chí
cao hơn, phụ thuộc vào băng tần cấp phát.
LTE cũng cần hỗ trợ các kỹ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hóa trễ
và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống. Các dịch vụ thời gian thực như
thoại được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E –
UTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải
bằng chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trên
toàn bộ dải tốc độ. Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất lượng
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
18
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
(thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong miền
chuyển mạch kênh của GERAN.
1.5.5.Vùng phủ :
LTE hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm
bảo các mục tiêu đã nêu ra trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các
đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có. Thông thường hiệu suất sử
dụng phổ tần và hỗ trợ nói trên phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và với
giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30 km.
Như đã chỉ ra, LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz; 2,5
MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz và 20 MHz trên cả đường lên và xuống. Cần
đảm bảo chế độ làm việc đơn băng lẫn song băng. Hệ thống phải hỗ trợ truyền
nội dung trên toàn thể các tài nguyên bao gồm cả các tài nguyên khả dụng đối
với các nhà khai thác (được gọi là Radio band Resource) trong cùng một băng
tần hoặc trong các băng khác nhau trên cả đường lên và xuống. Hệ thống phải
hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng…
phải được tối ưu hóa trong LTE. Các cơ chế QoS phải xét đến cho các kiểu
lưu lượng khác nhau để sử dụng hiệu quả băng thông.
LTE phải hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, nhất là trong miền PS
(chẳng hạn VoIP, hiện diện). E – UTRAN (hay viết gọi E – RAN) phải được
thiết kế để giảm thiểu các thay đổi trễ (Jitter) cho thông tin gói TCP/IP.
Kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) đề xuất
cho kiến trúc LTE được chỉ ra trên hình 1.12, hình 1.13 và hình 1.14.
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
20
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
Hình 1.12 – Kiến trúc mô hình B1 của E – UTRAN
cho trường hợp không chuyển mạng
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
Giao diện
AAA
R1
R3
R2
G
i
w
i
w
i
G
i
+
x
G
Gn
+
x
R
+
x
R
G
i
Iu
GbG
i
+
x
G
Rh
+
x
G
SGSN
Internet GERAN
PCFR2
UTRAN
Internet
PCFR2
*
Các
Serve
r IP
tùy
chọn
thể
hiện chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt. Dự kiến giao
diện này sẽ tương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT.
+
x
G
thể hiện G
x
có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống truy nhập (Inter
AS),
+
X
W
ký hiệu cho W
x
có thêm hỗ trợ di động các hệ thống. Inter AS MM
(Inter Access System Mobility Management) ký hiệu cho quản lý di động
giữa các hệ thống truy nhập. PCRF2 thể hiện hai lần chỉ để thể hiện cấu hình.
Các đường tròn và các đường nối không liên tục thể hiện các phần tử/giao
diện mới của kiến trúc theo TR.23.822 trong đó giao diện được đặc tả chi tiết.
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
22
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
Hình 1.14 – Kiến trúc mô hình LTE theo TR.13.822
Chương 2
CÁC CÔNG NGHỆ CƠ BẢN CỦA 3GPP LTE
2.1. TRUYỀN DẪN ĐA TRUY NHẬP CỦA LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN
3G LÊN 4G CỦA 3GPP LTE:
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
SAE
MM
E
PCFR2
Các
Serve
r IP
tùy
chọn
(IMS,
DSS,
v.v…)
PCFR2
*
Truy nhập IP của WLAN 3GPP
HSS
Internet
23
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com
2.1.1.Mở đầu:
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là công nghệ truyền dẫn tiết kiệm băng tần
được dùng trong các hệ thống vô tuyến băng rộng và siêu rộng. OFDMA là
phương pháp đa truy nhập dựa trên nguyên lý OFDM được dùng trong các hệ
thống thông tin di động băng rộng thay cho CDMA.
Ứng dụng trong thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả
năng chống ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường. Khả năng đề kháng đạt
được nhờ hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực
giao với mỗi sóng mang con hoạt động trên tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc độ bit
thông tin cần truyền. Tuy nhiên với sóng mang OFDM có sự thăng giáng
thời gian ký hiệu điều biến sóng mang con, như chỉ ra trên hình 2.1. Vì thế
các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDM.
Nếu tín hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫn
OFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử
dụng, thì sơ đồ khối của hệ thống OFDM được biểu diễn trên hình 2.2.
Vũ Thị Hiền mã số 504102020
25
Copyright: Tài liệu đại học ©