Nghiên cứu các vấn đề thiết kế và triển khai trạm gốc BTS cho 3g WCDMA UMTS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM NGUYỄN THÁI BÌNH NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI TRẠM GỐC BTS CHO 3G WCDMA UMTS CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2011 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông MỞ ĐẦU WCDMA là một công nghệ sử dụng giao diện vô tuyến theo tiêu chuẩn 3GPP trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Giao diện này hỗ trợ tốc độ số liệu lên đến 2Mbps trên sóng mang có băng tần 5MHz. Hiện nay HSPA đã được đưa ra với tốc độ số liệu đỉnh 14,4Mbps cho R5 HSDPA và 5,7Mbps cho R6 HSUPA. BTS là phần tử quan trọng nhất của mạng truy nhập vô tuyến trong hệ thống thông tin di động. Mỗi BTS bao gồm phần xử lý tín hiệu vô tuyến và phần xử lý tín hiệu băng gốc. Để phát triền một mạng vô tuyến với vùng phủ và hiệu năng tốt, cần triển khai hàng nghìn BTS. Vì thế giá thành các BTS chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng giá thành xây dựng mạng. Do đó việc nghiên cứu kiên trúc trạm gốc 3G WCDMA UMTS hết sức quan trọng đặc biệt là phần xử lý tín hiệu băng gốc. Mục đích của đề tài thể hiện rõ qua tên của đề tài: “Nghiên cứu các vấn đề thiết kế và triển khai trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS”. Cấu trúc luận văn gồm các phần: Phần mở đầu; Chương 1, 2 và 3; Phần kết luận và các hướng nghiên cứu tiếp theo; Tài liệu tham khảo và Phụ lục. Được trình bày trong 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống WCDMA. Chương 2: Các vấn đề thiết kế trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS. Chương 3: Triển khai trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS. Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG WCDMA 1.1. Quá trình phát triển thông tin di động Các công nghệ TTDĐ được chia thành ba thế hệ: thứ nhất, thứ hai, thứ ba và thứ tư được viết tắt là 1G, 2G, 3G và 4G. Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM. Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Có thể coi một hệ thống TTDĐ là 3G nếu nó đáp ứng một số các yêu cầu được ITU đề ra:  Hoạt động trong một trong số các tần số được ấn định cho các dịch vụ 3G  Phải cung cấp dẫy các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả đa phương tiện, độc lập với công nghệ giao diện vô tuyến  Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 kbps cho các người sử dụng di động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2Mbps cho các người sử dụng cố định hoặc di động tốc độ thấp  Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói  Phải đảm bảo tính độc lập của mạng lõi với giao diện vô tuyến Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G phát triển và tiến dần đến 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE. hình 1.1: Lộ trình phát triển lên thế hệ 4 1.2. Kiến trúc chung của một hệ thống thông tin di động 3G. Kiến trúc tổng quát của hệ thống 3G WCDMA UMTS được cho trên hình 1.2 bao gồm : thiết bị người sử dụng UE, mạng truy nhập UTRAN, mạng lõi CN. Hình 1.3: Hệ thống 3G UMTS kết hợp PS và CS 3G có thể sử dụng hai kiểu RAN. Kiểu thứ nhất sử dụng công nghệ đa truy nhập WCDMA được gọi là UTRAN. Kiểu thứ hai sử dụng công nghệ đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN. 1.3. Chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS), dịch vụ chuyển mạch kênh và dịch vụ chuyển mạch gói. Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) thiết bị chuyển mạch thực hiện các cuộc truyền tin bằng cách thiết lập kết nối chiếm một tài nguyên mạng nhất định trong toàn bộ cuộc truyền tin. Kết nối này là tạm thời, liên tục và dành riêng. Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) thực hiện phân chia số liệu của một kết nối thành các gói có độ dài nhất định và chuyển mạch các gói này theo thông tin về nơi nhận được gắn với từng gói và ở PS tài nguyên mạng chỉ bị chiếm dụng khi có gói cần truyền. Dịch vụ chuyển mạch kênh (CS Service) mỗi đầu cuối được cấp phát một kênh riêng và nó toàn quyển sử dụng tài nguyên của kênh này trong thời gian cuộc gọi Dịch vụ chuyển mạch gói (PS Service) nhiều đầu cuối cùng chia sẻ một kênh và mỗi đầu cuối chỉ chiếm dụng tài nguyên của kênh này khi có thông tin cần truyền và nó chỉ phải trả tiền theo lượng tin được truyền trên kênh. 1.4. Các loại lưu lượng 3G WCDMA UMTS hỗ trợ Loại hội thoại (Conversational, rt) Loại luồng (Streaming, rt) Loại tương tác (Interactive, nrt) Loại nền (Background, nrt) 1.5. Các giao thức trên giao diện vô tuyến. Giống như GSM, ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của UMTS cũng gồm ba lớp, tuy nhiên trong UMTS có hai loại ngăn xếp giao thức: một ngăn xếp cho mặt phẳng điều khiển và một ngăn xếp giao thức cho mặt phằng người sử dụng. Hình1.4.Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của 3GWCDMA UMTS: a)mặt phẳng người sử dụng , b) mặt phằng điều khiển . Ngăn xếp giao thức 3G HSPA UMTS trong mặt phẳng người sử dụng (UP). MAC-hs và MAC-e được bổ sung cho HSDPA và HSUPA để điều khiển lập biểu nhanh và HARQ. Ngoài ra lớp con MAC-es được bổ sung cho HSUPA để sắp xếp lại các gói sau quá trình HARQ. 1.6. Các kênh trên giao diện vô tuyến của 3G UMTS. 1.6.1 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 3G WCDMA UMTS. Các kênh của WCDMA được chia thành các loại kênh sau: - Kênh Logic (LoCH) - Kênh truyền tải (TrCH) - Kênh vật lý (PhCH). Kênh mang các kênh truyền tải. 1.6.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 3G HSPA UMTS Tương tự như 3G WCDMA UMTS, 3G HSPA UMTS cũng có các kênh LoCH, TrCH và PhCH. Ngoài các kênh đã có của WCDMA, HSPA còn có thể một số kênh mới: HS-DPCCH, HS-DSCH, HS-PDSCH, HS-SCCH… 1.7. Lớp vật lý 1.7.1 Các thông số lớp vật lý. Các thông số lớp vật lý của WCDMA UMTS đựơc cho trong bảng 1.1. W-CDMA Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng Độ rộng băng tần (MHz) 5/10/15/20 Mành phổ 200 kHz Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84/7,68/11,52/15,3 Độ dài khung 10 ms Đồng bộ giữa các nút B Dị bộ/đồng bộ Mã hóa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn Điều chế DL/UL QPSK/BPSK Trải phổ DL/UL QPSK/OCQPSK (HPSK) Bộ mã hóa thoại CS-ACELP/(AMR) Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB Bảng 1.1 : Lớp vật lý của 3G WCDMA UMTS 1.7.2 Quy hoạch tần số. Hình 1.11. Phân bố tần số cho 3G UMTS. a) Các băng có thể dùng cho 3G UMTS FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000 Tại Việt Nam băng tần 3G UMTS FDD được cấp phát tần số theo tám khe tần số như cho trong bảng 1.1, trong đó hai hoặc nhiều nhà khai thác có thể cùng tham gia xin cấp phát chung một khe. Bảng 1.2. Cấp phát tần số 3G UMTS tại Việt Nam Khe tần số FDD TDD BSTx BSRx BSTx/BSRx A 2110-2125 MHz 1920-1935 MHz 1915-1920 MHz B 2125-2140 MHz 1935-1950 MHz 1910-1915 MHz C 2140-2155 MHz 1950-1965 MHz 1905-1910 MHz D 2155-2170 MHz 1965-1980 MHz 1900-1905 MHz Chương 2 NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ TRẠM GỐC BTS CHO 3G WCDMA UMTS 2.1. Kiến trúc cơ sở của 3G WCDMA UMTS BTS Kiến trúc điển hình của một trạm thu phát gốc 3G WCDMA UMTS (hình 2.1) bao gồm bốn phần chính: phần vô tuyến (RF: Radio Frequency), phần băng gốc (BB: Baseband), phần điều khiển và truyền dẫn. Module RF phát/thu các tín hiệu và biến đổi tín hiệu số vào sóng vô tuyến và ngược lại. Module băng gốc (BB: Base Band)) xử lý tín hiệu được mã hóa trước khi phát/thu nó đến từ mạng lõi thông qua module truyền dẫn. Khối điều khiển đóng vai trò điều phối ba module nói trên. Chức năng của trạm gốc được chia thành hai phần chính: - Các chức năng mặt phẳng điều khiển liên quan đến truyền dẫn số liệu điều khiển, số liệu khai thác và bảo dưỡng (O&M: Operation and Maintenance). - Các chức năng mặt phẳng người sử dụng liên quan đến truyền tải, băng gốc và anten. Hình 2.1. Kiến trúc chung của một BTS 2.2. Các chức năng băng gốc và các vấn đề thiết kế băng gốc 2.2.1. Chức năng băng gốc Các phiến băng gốc có thể thực hiện các chức năng lớp vật lý sau:  Sắp xếp và giải sắp xếp các kênh vật lý và các kênh truyền tải  Ghép và phân kênh  Mã hóa và giải mã  Trải phổ và giải trải phổ  Điều chế và giải điều chế  Các thủ tục lớp vật lý và  Các đo đạc lớp vật lý  Lập cấu hình trạm gốc vô tuyến  Điều khiển ô  Phân phối thông tin hệ thống  Lập cấu hình liên kết vô tuyến cho các kênh riêng và chung  Xử lý luồng số liệu Iub và  Đồng bộ và phân phối nút Các chức năng băng gốc trong BTS cung cấp nền tảng cho các chức năng mạng vô tuyến, các chức năng lập cấu hình và các chức năng O&M. Do đó, băng gốc tạo nên nền tảng để xử lý các kênh chung và các kênh riêng cho các lớp cao hơn. Hình 2.3. Mô hình chuyển đổi kênh (sắp xếp kênh) 2.2.2. Các vấn đề thiết kế băng gốc. Băng gốc được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn 3GPP cho WCDMA. Ngoài ra kiến trúc băng gốc được thiết kế để đáp ứng với các yêu cầu đảm bảo hoạt động các trạm gốc. Các yêu cầu này gồm: tính linh hoạt cấu hình, sử dụng hiệu quả các tài nguyên, dễ triển khai, tương thích và phần cứng sẵn sàng cho tương lai. 2.2.3. Thiết kế phiến xử lý băng gốc phát (TXBBB). 2.2.3.1. Các chức năng xử lý đường xuống. Hình 2.4 cho thấy các khối chức năng chính để xử lý đường xuống. Xử lý đầu tiên là xử lý giao thức khung (FP). Sau khi biết khi nào thì các khung số liệu trên các kênh chung ( PCH và FACH) và các kênh riêng (DCH) sẽ đến từ giao diện Iub, bộ xử lý giao thức khung đồng bộ các khung và lấy ra phần tải tin của khung số liệu. Phần tải tin chứa các kênh truyền tải không được mã hóa. Hình 2.4. Các khối chức năng xử lý đường xuống 2.2.3.2. Thực hiện phiến TX băng gốc (TXBBB) Thực hiện TXB BB được chia thành 2 phần: bộ xử lý phiến và phần cứng đặc thù phiến. Bộ xử lý phiến điều khiển phiến và các phần lưu lượng. Phần cứng đặc thù phiến xử lý số liệu của người sử dụng để gửi đến giao diện vô tuyến. Phần cứng này Mã hóa BCH Mã hóa PCH Mã hóa FACH Mã hóa DCH PCH FP FACH FP DCH FP Chia ô MUX Trải phổ và điều chế G/D Iub GD DL/UL G/D đến TRX G/D: giao diện [...]... 1,8/2,1/2,6 GHz: WCDMA UMTS, HSPA, LTE - 1,8/2,1/2,6/3,6GHz :WCDMA UMTS, HSPA, LTE, WIMAX Chương 3 TRIỂN KHAI TRẠM GỐC BTS CHO 3G WCDMA UMTS 3.1 Triển khai BTS 3G hiện nay Mục tiêu của lập kế hoạch mạng vô tuyến là thiết kế hệ thống mạng cho phép sử dụng hiệu quả thiết bị và phổ tần hiện có với chi phí hợp lý Đối với đa phần các trường hợp mạng hiện nay, việc thiết kế với các ràng buộc là đặc trưng Các ràng... mềm dẻo - HSPA hiệu suất cao KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Luận văn đã đạt được mục đích nghiên cứu ban đầu là nghiên cứu các vấn đề thiết kế trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS, các cấu trúc cơ bản của một nút B và phân tích thống kê mạng WCDMA & GSM hiện tại đề xuất phương án xây dựng mạng đạt hiệu quả cao cũng như đảm bảo chất lượng Cụ thể: - Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống thông tin... Trình bày các khái niệm, cấu trúc và chức năng của các phần tử trong hệ thống 3G - Trình bày kiến trúc cơ sở của 3G WCDMA UMTS - Các chức năng băng gốc và các vấn đề thiết kế băng gốc, kiến trúc đầu phát vô tuyến đa băng, bộ khuếch đại công suất đa sóng mang - Trạm gốc phân bố, trạm gốc đa chuẩn đa băng và công nghệ vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm - Các chỉ tiêu kỹ thuật đối với 3G WCDMA UMTS -... UMTS - Qui trình triển khai 3G hiện nay và giải pháp Kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo: Công nghệ SDR hứa hẹn sẽ mang lại một tiềm năng to lớn để cách mạng hóa các thiết bị vô tuyến được thiết kế, sản xuất, phát triển và sử dụng theo cách thông thường Vì thiết bị vô tuyến SDR là dạng mới của kiến trúc thiết bị vô tuyến nên chúng bao gồm rất nhiều các kỹ thuật thiết kế để tạo ra một thiết bị thu... từ/đến RNC Thiết kế phân bố DBS cho phép các nhà khai thác di động triển khai các RRU và hệ thông nguồn tách riêng so với BBU Các RRU và BBU có thể được kết nối với nhau bằng cáp quang đơn mode Hình 2.14 (a) BTS thông thường (b) BTS phân bố 2.6 Trạm gốc đa chuẩn đa băng và công nghệ vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm Công nghệ SDR cung cấp giải pháp hiệu quả, ít tốn kém để xây dựng các trạm gốc vô... trình lập kế hoạch đồng thời Trường hợp điển hình sẽ là một nhà mạng mà đã có sẵn một mạng lưới GSM và đã nhận được giấy phép cho mạng WCDMA Việc sử dụng các trạm GSM hiện có và các trạm WCDMA cùng vị trí với các trạm GSM là giải pháp ưu tiên từ quan điểm nhà mạng + Tái sử dụng các trạm + Các giải pháp về trạm: Co-located Sites; Co-siting + Cấu hình anten + Phân phối dịch vụ và lưu lượng giữa các hệ thống... giao diện Iub Hình 2.7 .Các khối trên phiến RAXBBB 2.3 Kiến trúc đầu phát vô tuyến đa băng (MBFE Hiện nay các đầu thu phát vô tuyến của 3G WCDMA BTS đều được thiết kế để có thể phục vụ 4 sóng mang trên cùng 1 băng tần WCDMA, ngoài ra các nhà sản xuất cũng đang hướng tới thiết kế các BTS làm việc trong nhiều băng tần WCDMA và cả các băng tần của công nghệ truy nhập vô tuyến khác Các đầu thu phát vô tuyến... hiệu đầu vào số Sự khác biệt được giảm thiểu bằng cách làm méo trước tín hiệu đầu vào trong vi mạch ASIC số được điều khiển bởi DSP có nhiệm vụ để cập nhật thích ứng 2.5 Trạm gốc phân bố Trong kiến trúc trạm gốc phân bố DBS, các đơn vị vô tuyến đặt xa RRU được coi là các phần tử phát và thu các tín hiệu vô tuyến, các đơn vị băng gốc BBU được coi là các phần tử xử lý và phát các tín hiệu băng gốc từ/đến... thống SDR của ZTE Các sản phẩm SDR của ZTE dựa trên nền tảng vi TCA tiên tiến với thiết kế theo module kiến trúc phân tán và tính tích hợp cao Khối băng tần gốc BB hỗ trợ các tiêu chuẩn GSM /WCDMA/ CDMA và khối vô tuyến RU hỗ trợ các giải pháp đa băng tần Sự kết hợp giữa các BB và RRU khác nhau tạo ra các Node B SDR khác nhau Các sản phẩm của ZTE có các tính năng sau: - Dung lượng lớn và khả năng đa băng... gồm: thiết kế các hệ thống RF, IF và thiết kế phần cứng băng gốc analog, thiết kế phần cứng số và kỹ thuật phần mềm Để thực hiện được nhiệm vụ này cần phải tiếp tục nghiên cứu rất nhiều vấn đề như: - Thực hiện lựa chọn kiến trúc máy thu mềm dẻo có thể hoạt động đa băng tần, đa chế độ - Thực hiện lựa chọn kiến trúc máy phát mềm dẻo - Thực hiện phần cứng xử lý tín hiệu số - Xây dựng kiến trúc phần mềm và . hệ thống WCDMA. Chương 2: Các vấn đề thiết kế trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS. Chương 3: Triển khai trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS. . của đề tài: Nghiên cứu các vấn đề thiết kế và triển khai trạm gốc BTS cho 3G WCDMA UMTS . Cấu trúc luận văn gồm các phần: Phần mở đầu; Chương 1, 2 và