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

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.. Có thể coi một hệ thống TTDĐ là 3G nếu nó đáp ứng một số các

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

Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84/7,68/11,52/15,3

Đồng bộ giữa các nút B Dị bộ/đồng bộ

Mã hóa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn

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

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 TXBBB 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

Trải phổ và điều chế G/D Iub

GD DL/UL

G/D đến TRX

G/D: giao diện

chứa bộ sử lý giao diện mặt phẳng người xử dụng Iub, bộ xử lý tốc độ ký hiệu, bộ

xử lý tốc độ chip và bộ điều khiển xử lý lớp vật lý

Hình 2.5 Thực hiện phiến TXBBB cho mặt phẳng người sử dụng

2.2.4 Thiết kế phiến xử lý băng gốc thu (RAXBBB)

Trên đường lên, tín hiệu nhận được từ giao diện vô tuyến được đưa vào băng gốc dưới dạng tín hiệu số từ phần vô tuyến TXB Đối với kênh vật lý riêng (DPCH), tín hiệu đến từ TRX được xử lý trong khối chức năng của bộ giải điều chế Khối này cũng chứa bộ tìm đường và máy thu RAKE

Hình 2.6 Các khối chức năng xử lý đường lên của TXB

2.2.5 Thực hiện RAXB băng gốc (RAXBBB)

Phiến xử lý đường lên băng gốc (RAXBBB) được chia thành hai phần chính: Bộ

xử lý phiến (BP: Board Processor) và phần cứng xử lý số liệu đặc thù phiến (DP: Data processing) Bộ xử lý phiến điều khiển phiến và các phần lưu lượng Phần cứng DP xử lý số liệu của người sử dụng nhận được từ giao diện vô tuyến đến 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 đa băng đáp ứng được yêu cầu này

Hình 2.8 Kiến trúc tổng quát của MBFE

2.4 Bộ khuếch đại công suất đa sóng mang (MCPA)

MCPA cho các hệ thống WCDMA phải thỏa mãn các yêu cầu :

- Tuyến tính cao: để thỏa mãn các yêu cầu của 3GPP

- Hiệu suất tối ưu: để giảm tiêu thụ công suất trạm gốc

- Có thể sản xuất tự động với số lượng lớn

2.4.1 MCPA sửa méo thuận

Hình 2.9 Sơ đồ khối của MCPA sửa méo thuận cho WCDMA

Tín hiệu đầu vào MCPA sửa méo thuận được chia thành 2 đường Tín hiệu trong đường trên được khuếch đại bởi bộ khuếch đại chính MPA, bộ khuếch đại này làm việc trong chế độ AB Các méo phi tuyến trong MPA dẫn đến méo điều chế giao thoa và méo này cộng vào tín hiệu Mẫu tín hiệu đầu ra mPA được đưa vào bộ trừ (

bộ ghép định hướng), tại đây tín hiệu bị trừ bởi một phần tín hiệu gốc được làm trễ (

lý tưởng toàn bộ tín hiệu gốc bị loại bỏ) Tín hiệu lỗi được khuếch đại tuyến tính trong bộ khuếch đại lỗi EPA đến mức cần thiết để loại bỏ méo trong đường chính, sau đó được đưa lên bộ ghép tại đầu ra Tín hiều đầu ra MPA được trễ để phù hợp với đường khuếch đại lỗi Méo của hai đường được cộng ngược pha nhau và lý tưởng sẽ chỉ còn lại tín hiệu gốc tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất đa sóng mang MCPA

2.4.2 MCPA với làm méo ngược trong miền số

Công nghệ bán dẫn hiện đại cung cấp các kỹ thuật DSP, ADC và DAC cải tiến

đã cho phép thiết kế MCPA hoàn toàn dựa trên làm méo trước trong miền số DPD Nhờ vậy làm giảm giá thành và đạt hiệu suất cao hơn Mẫu tín hiệu vô tuyến tại đầu

ra bộ biến đổi hạ tần RF được so sánh với tín 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 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 tuyến đa mode, đa băng, đa chức năng Không tồn tại một định nghĩa duy nhất cho SDR Có thể coi công nghệ SDR là kết hợp của các công nghệ phần mềm

và phần cứng mà có thể lập lại cấu hình của các bộ phận hoạt động quan trọng bằng cách nâng cấp phần mềm SDR cho các giải pháp đa chuẩn, đa băng theo các tiêu chí sau:

1 Đa băng, đơn chuẩn:

- 1,8/2,1/2,6 GHz: WCDMA UMTS

- 2,5/3,5 GHz: WIMAX/IEEE 802.16e

2 Đa chuẩn trong một tần số

- 2,1 GHz: WCDMA UMTS, HSPA, LTE

3 Đa chuẩn, đa băng

- 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 buộc theo từ hiện trạng thực tế là các mạng UMTS phải phủ kín mạng hiện có