Sự tiến hóa của kiến trúc trạm di dộng

1 H ọ c Vi ệ n Công Ngh ệ Bưu Chính Vi ễ n Thông Bài T ậ p Thu Phát Vô Tuy ế n Nhóm 12 S ự ti ế n hóa c ủ a ki ế n trúc tr ạ m di đ ộ ng Gi ả ng viên Nguy ễ n Vi ế t Đ ả m Sinh viên Tr ầ n Đ ứ c Hu ỳ[.]

Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Bài Tập Thu Phát Vơ Tuyến Nhóm 12 Sự tiến hóa kiến trúc trạm di động Giảng viên : Nguyễn Viết Đảm Sinh viên : Trần Đức Huỳnh Lê Đức Hiếu Nguyễn Minh Thắng Nguyễn Ngọc An Nguyễn Đình Phụng 1)Giới thiệu Các tiêu chuẩn truyền thông IWIRELESS phát triển nhanh chóng Mối quan tâm then chốt đồ hình mạng di động phụ thuộc vào thiết bị vơ tuyến đắt đỏ khó nâng cấp Trong mạng di động, thiết bị radio nằm trạm sở phân phối rộng rãi toàn mạng Các nhà khai thác mạng phải phục hồi trạm sở với thiết bị vô tuyến mới, lắp đặt thiết bị mới, lần họ muốn giới thiệu băng tần mới, thêm lực, nâng cao hiệu phổ, nâng cấp công nghệ thêm dịch vụ Số công nghệ khác cung cấp giải pháp hiệu tương đối rẻ cho vấn đề xây dựng trạm vô tuyến điện đa chức năng, nhiều băng tần, tổng hợp trạm vô tuyến điện thiết bị di động đa chức Khơng có định nghĩa SDR đơn lẻ tồn Thơng thường coi tổng cơng nghệ phần cứng phần mềm phần thiết yếu hoạt động cấu trúc lại việc nâng cấp phần mềm Các điều khoản khác sử dụng bối cảnh hệ thống di động lập trình reconfigurable là: terminal terminal, radio nhận thức, radio nhận thức cấu trúc linh hoạt Công nghệ quốc phòng hoa kỳ thúc đẩy để thay số lượng giao thức giao thức đơn lẻ với tảng chung lập trình lại để đảm bảo khả vận hành Trong bối cảnh quân lợi ích sdr rõ ràng: thay đổi đặc biệt khơng có mã hóa / mã hóa mà cịn phương pháp điều biến, tốc độ liệu, băng thông kênh Để phát triển tiêu chuẩn cho thiết bị phủ, hệ thống radio chiến thuật liên kết tạo Jtrs bắt đầu vào năm 1997 để thay khoảng 750 000 thu phát quân với 250 ngàn sdr Trong suốt năm qua, phạm vi jtrs mở rộng cho phép khả vận hành khả vận hành tương tác với nato hệ thống radio " đồng minh " khác Nato Trong vô tuyến phần mềm truyền thông di động xuất " chủ đề nóng " vào đầu năm 1990, nhiều người thấy công nghệ giải pháp cho vấn đề xử lý cần thiết thiết bị di động đa dạng / nhiều băng tần đại Gần hầu hết thiết kế trạm sở tiến hóa kiến trúc SDR Trong chương 2, hạng mục sdr giải thích sau với việc cho phép cơng nghệ mơ tả chương Tiến hóa kiến trúc phần cứng trạm gốc sdr phân tích chương Sự phát triển kiến trúc trạm gốc di động Phần 2: diễn đàn SDR (Tổ chức quốc tế thúc đẩy phát triển sử dụng cơng nghệ SDR) tạo năm nhóm danh mục phần mềm-vơ tuyến (bậc) Nhóm (Bậc 0) Đài phần cứng Loại thứ hai (Bậc 1) Radio điều khiển phần mềm với chức điều khiển triển khai phần mềm Xử lý băng tần sở thực với ASIC phần cứng cố định Nhóm thứ ba (Tier 2) SDR, gọi SDR cấu hình lại, sử dụng phổ biến Chủ yếu, phần mềm sử dụng để điều khiển nhiều loại kỹ thuật điều chế: hoạt động băng rộng băng hẹp, chức bảo mật yêu cầu dạng sóng tiêu chuẩn phát triển dải tần số Nhóm thứ tư (Cấp 3) Phần mềm lý tưởng Radio có tất khả hệ thống Cấp Ngày nay, loại SDR tiên tiến đạt tương lai gần loại bỏ khuếch đại tương tự trộn lẫn tạp chất trước chuyển đổi kỹ thuật số-tương tự Khả lập trình mở rộng cho tồn hệ thống, với chuyển đổi tương tự diễn ăng-ten, loa micrơ Nhóm cuối (Tier 4) - Ultimate Software Radios Diễn đàn SDR xác định cho mục đích so sánh hình cho thấy đài phần mềm lý tưởng nơi chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số diễn sau ăng-ten tất trình xử lý thực phần mềm Phương pháp tuần hoàn thông thường sử dụng để cách ly phận phát thu thu phát Nhược điểm kiến trúc toàn phổ RF chuyển đổi chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC), làm cho thông số kỹ thuật thiết bị (băng thông, dải động tốc độ lấy mẫu) thực với cơng nghệ ngày Tất chức thực phần mềm bao gồm xử lý tín hiệu RF IF, chức dải sở điều chế / giải điều chế Mặc dù radio phần mềm lý tưởng khơng khả thi, cần lưu ý nhiều chức thiết bị cầm tay trạm sở ngày triển khai dạng mã phần mềm phận phần cứng Đây coi phần mềm radio thực tế Thiết kế phần cứng chung trạm gốc dựa SDR ngày cấu hình lại để hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn thể Hình Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) hoạt động tần số trung gian (IF ) đầu cuối tương tự băng rộng riêng biệt sử dụng để xử lý tín hiệu đến giai đoạn RF Digital IF mở rộng phạm vi xử lý tín hiệu kỹ thuật số miền băng tần sở ăng-ten Điều làm tăng tính linh hoạt hệ thống đồng thời giảm chi phí sản xuất Chuyển đổi tần số kỹ thuật số cung cấp tính linh hoạt cao hiệu suất cao (về độ suy giảm độ chọn lọc) so với kỹ thuật tương tự truyền thống Các tiêu chuẩn 3G truy cập liệu gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) sử dụng kỹ thuật điều chế phong bì khơng đổi QPSK 16QAM Điều đặt yêu cầu nghiêm ngặt độ tuyến tính khuếch đại cơng suất Kỹ thuật tuyến tính hóa kỹ thuật tiền biến dạng kỹ thuật số (DPD) cải thiện hiệu khuếch đại công suất thường thực miền kỹ thuật số Các kỹ thuật DPD phát triển phép sử dụng khuếch đại công suất RF chi phí thấp thay khuếch đại cơng suất tuyến tính cao, đắt tiền Sự khơng tuyến tính tồn khuếch đại cơng suất chi phí thấp sửa chữa cách giả tạo cách sử dụng chức lọc thích ứng miền kỹ thuật số DPD kỹ thuật số băng tần thích ứng cơng nghệ hồn thiện chuyển từ phịng thí nghiệm nghiên cứu thành sản phẩm triển khai Khi kết hợp với thuật tốn giảm cơng suất đỉnh tiên tiến, DPD cải thiện đáng kể hiệu so với PA Đối với hoạt động bốn sóng mang WCDMA, hiệu suất lượng chuỗi máy phát (tức máy thu phát khuếch đại cơng suất) cải thiện từ mức thường 10% lên khoảng 18% Hiệu sử dụng điện có tác động đến mơi trường ảnh hưởng đến chi phí vận hành Tiêu thụ điện thấp giảm chi phí cho lượng giảm phí nhu cầu (ampe hợp đồng) Công nghệ DPD cho phép phận vơ tuyến hoạt động BS tích hợp thành đơn vị vơ tuyến hồn chỉnh (RU) với tín hiệu đầu vào băng tần sở kỹ thuật số Với DPD, đường cong PA buộc phải có phản hồi tuyến tính phạm vi hoạt động cụ thể Hình cho thấy sơ đồ khối hệ thống DPD hoàn chỉnh [7] Trước vào DAC, mẫu tín hiệu đầu vào băng tần sở nhân với hệ số phức tạp rút từ bảng tra cứu Các hệ số, thực chức phân bổ trước, cập nhật theo thay đổi hành vi PA liên quan đến thay đổi giao thông, môi trường tác động lão hóa Trong chuyển đổi kỹ thuật số lên (DUC), tín hiệu băng gốc phức hợp đầu vào lấy mẫu tốc độ lấy mẫu tương đối thấ p, điển hình tốc độ ký hiệu điều chế kỹ thuật số Tín hiệu băng gốc lọc chuyển đổi thành tốc độ lấy mẫu cao trước điều chế thành tần số sóng mang tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (DDS) [2] DUC thường thực định hình xung điều chế tần số sóng mang trung gian thích hợp để điều khiển chuyển đổi tín hiệu lên tương tự cuối (Hình 4) Ở phía đầu thu, Digital Down Converter (DDC) sử dụng để thực chức truy cập kênh Nó có đường dẫn tín hiệu định cấu hình bao gồm hệ số nhân, DDS lọc phân rã Tỷ lệ phân rã thay đổi Trong hình 5, sơ đồ khối DDC hiển thị Tín hiệu RF từ ADC nhân với tín hiệu định kỳ (sin / cos) tạo DDS trình dịch phổ sang băng tần sở thực Với lọc decimating, tín hiệu băng tần sở mong muốn lọc chuyển đổi t hành tốc độ lấy mẫu thấp trước gửi đến tảng DSP chung 3) Các công nghệ bấn dẫn cho phép dùng hệ thống SDR bao gôm ADC/DAC, xử lý kỹ thuật số DSP, cổng mảng lập trình FPGA, lọc khuếch đại RF ADC yếu tộ quan trọng cho hệ thống SDR, tốc độ gần với định mức mà Anten trình chuyển đổi tín hiệu tương tự - số xử lý đc Hiệu suất ADC xác định ba thước đo: tốc độ (số lượng mẫu giây), độ phân giải (số bit mà mẫu mã hóa) độ tuyến tính (độ xác mã đầu kỹ thuật số tuân theo giá trị đầu vào tương tự phạm vi dịch vụ ) Các ADC nhanh sử dụng mục đích thương mại, thu tín hiệu tương tự với tốc độ lấy mẫu xấp xỉ 10 GHz Để sử dụng ứng dụng không dây, thành phần đắt tiêu thụ nhiều điện Một ADC có giá đủ thấp đủ độ phân giải để sử dụng thiết bị di động thu khoảng 200 MSPS, tốc độ mẫu đủ cao để số hóa phần IF thu phát (lấy mẫu toàn băng tần di động IF trích xuất kênh riêng lẻ miền kỹ thuật số ) khơng có hiệu suất cần thiết để số hóa tồn băng tần RF Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP), xử lý tối ưu hóa để thực phép tính số học tốc độ cao Nó tảng trạm gốc SDR chắn công nghệ cho phép ban đầu cho SDR DSP cung cấp chức trải rộng, khử trải rộng, điều chế, giải điều chế lọc, thường triển khai nhiều giao diện vô tuyến lúc Mảng cổng lập trình trường (FPGA) thiết bị lập trình có chức kết nối logic xác định lại sau sản xuất, với khả tùy chỉnh chương trình lập trình lại chức thành phần Có nhiều loại kiến trúc FPGA, số số phức tạp, khơng bao gồm khối logic lập trình mà cịn kết nối chuyển mạch lập trình Phần Một trạm gốc điển hình (Hình 7) có bốn mơ-đun chính: tần số vơ tuyến (RF), băng tần sở, điều khiển truyền dẫn Mô-đun RF nhận / chuyển tín hiệu chuyển đổi chúng từ / sang liệu kỹ thuật số Môđun băng tần sở xử lý tín hiệu mã hóa trước truyền / nhận từ / đến mạng lõi thơng qua mơ-đun truyền dẫn Sự phối hợp ba chức trì mơ-đun điều khiển Một số điểm tham chiếu (RP) xác định với ngành cơng nghiệp tập trung vào việc đạt chi phí thấp mơ-đun khác Ví dụ trạm gốc SDR thể Hình Trong trường hợp quy trình kỹ thuật khác yêu cầu loại tài nguyên giống tương tự việc tập trung phần mềm phần mềm có sẵn nhóm điều thuận lợi tối đa hóa hiệu sử dụng tài nguyên Tổng hợp tài nguyên mang lại mức tăng cơng suất mơi trường vậy, nơi mong đợi phân bố không đồng nhu cầu tài nguyên Điều với BS radio di động Việc tập trung tài nguyên băng tần sở nơi cho phép chia sẻ tài ngun xử lý tín hiệu ơ, tối đa hóa hiệu sử dụng cơng suất xử lý BS Một khía cạnh quan trọng khác việc gộp chung dư 10 thừa vốn có tài nguyên chia sẻ vùng Trong trường hợp trạm gốc vơ tuyến, điều có nghĩa nhu cầu lưu lượng tiếp quản tài nguyên khác nhóm, phần tổng dung lượng tài nguyên trở nên không khả dụng Do đó, sẵn có tài nguyên để xử lý lưu lượng tăng lên so với trường hợp tài nguyên không gộp chung Hai kiểu tổng hợp tài nguyên khác sau xác định cho trạm gốc: tổng hợp tài nguyên khu vực (ô) khác trạm gốc, tổng hợp tài nguyên lớp tần số khác trạm gốc Kết là, tổng cơng suất BS cung cấp với tài sản nguồn lực cho lĩnh vực khác tách biệt với Tổng độ lợi gộp [6] trạm gốc tăng thêm, 11 kiến trúc phần cứng cho phép gộp không cung khác mà lớp tần số khác trạm gốc (Hình 9) Trong tiêu chuẩn 3GPP, thuật ngữ “phần tử kênh” giới thiệu để đo khả xử lý tín hiệu ảo BS Phần tử kênh (CE) mô tả tài nguyên dung lượng cần thiết cho người dùng với dịch vụ cụ thể, cơng nhận dung lượng phần cứng trạm gốc Số lượng phần tử kênh dựa loại lưu lượng phụ thuộc vào mang sóng vơ tuyến sử dụng 12 số lượng người dùng đồng thời cho mang sóng vơ tuyến cụ thể Mặc dù CE tài nguyên tương đương không 3GPP tiêu chuẩn hóa khơng nhà sản xuất khác định nghĩa (định nghĩa khác số lượng CE yêu cầu cho dịch vụ định, liệu tài nguyên CE có cần thiết cho tín hiệu chung, phép đo chế độ nén, v.v on), đại diện cho phép đo đơn giản trực quan dung lượng băng tần sở Bộ khuếch đại công suất mô-đun RF thường chiếm gần 50% chi phí BS nhà sản xuất làm việc để tích hợp hai chức vào mơ-đun chi phí thấp hơn, dẫn đến sáng kiến Giao diện vô tuyến công cộng chung (CPRI) Sáng kiến tiêu chuẩn trạm sở mở ( OBSAI) để xác định thống kiến trúc trạm gốc cấp độ môđun CPRI làm việc để thiết lập giao diện tiêu chuẩn mơ-đun RF nhằm khuyến khích nguồn thay thế, cạnh tranh cho mô-đun RF PA Tương tự CPRI, OBSAI xác định giao diện mở nhiều điểm tham chiếu kiến trúc trạm gốc, với điểm tham chiếu (RP3) đại diện cho giao diện xử lý RF front-end tới baseband Thông số kỹ thuật OBSAI RP3 xác định giao diện mô-đun băng tần sở mô-đun RF Đặc điểm kỹ thuật cho phép tối đa cặp liên kết đơn hướng cho băng tần sở mô-đun RF Đối với BS điển hình, liên kết kết nối với lưới cấu trúc liên kết phân phối tập trung (C / D) Cấu trúc liên kết C / D phù hợp 13 với BS lớn, quản lý dễ dàng cấu trúc liên kết lưới Tác phẩm OBSAI RP3 phần mở rộng RP301 Nó định giao thức giao diện RP3 để sử dụng đơn vị RF từ xa Hình 10 cho thấy kiến trúc tham chiếu BS với đơn vị RF từ xa 5) Sự tiến hóa kiến trúc trạm sở - Kiến trúc trạm chuyển từ điều biến cụ thể đến kiến trúc định nghĩa phần mềm Bước tiến gần tiêu chuẩn hóa giao diện kỹ thuật số nội bộ, sáng kiến obsai cpri, thay đổi mơ hình sản xuất bs Các giao diện chuẩn nầy cho hội cho nhà sản xuất thiết bị gốc (oem) để khốn ngồi phần cứng thẻ số baseband sản xuất phần cứng máy thu phát rf công suất cao Điều làm cho oem tập trung vào phần mềm ứng dụng phức tạp dịch vụ nầy chìa khóa nhiều ứng dụng(hình 11) -Trong trạm sở thông thường, phần baseband rf thu phát thường gần gũi với Tuy nhiên, điện rf không tạo gần 14 ăng ten (its, số lượng đáng kể bị lãng phí cáp Có hai loại topologies khác bật việc sử dụng tính tốn sdr: kiến trúc trạm sở phân tán mạng RF mồ cơi -Một ví dụ đơn vị kỹ thuật số RF tách (distributed b architecture) việc sử dụng máy thu phát rf (remote - rru) - rru) đầu tháp chứa nhận ăng ten, minh họa hình 12 Phần b cịn lại dễ dàng đặt khơng gian chi phí thấp hơn, với liên kết sợi quang hai Cách tiếp cận có số lợi ích cách tiếp cận truyền thống việc tăng cường máy khuếch đại nội các, loại bỏ tổn thất cáp RF cao -Khái niệm chữ " hoteling” minh họa hình 13 Đây triển khai mạng mà đa số thành phần trạm gốc truyền thống đặt vị trí trung tâm (the hub) Trung tâm đặt vị trí rẻ tiền, rẻ tiền, ví dụ, tầng hầm tịa nhà khu cơng nghiệp ngồi thị trấn Điều để lại tối thiểu thành phần cần thiết để lưu khu vực tế bào -Tất thành phần mạng, phần tử giao diện vân vân, phát tín hiệu baseband, điều biến, demodulation, mã hóa, chức khung đặt hub sở Các giao diện hub trực tiếp đến mạng cốt lõi bắt nguồn từ Nó tạo nhận mẫu liệu điều biến cần thiết để truyền đến / từ đơn vị RF từ xa 15 Ví dụ bs với kiến trúc rf mồ cơi trình bày hình 14 RRU đặt 15km từ đơn vị b (MU) Và kết nối MU - RRU thiết lập RRU Các tiêu chuẩn giao diện khơng khí liên tục phát triển để hỗ trợ tốc độ liệu cao thông qua kỹ thuật xử lý baseband nâng cao điều biến thích ứng mã hóa khơng gian, mã hóa khơng gian, nhiều đầu vào Hệ thống anten thơng minh mang lại lợi ích đáng kể cho mạng di động Những lợi ích chủ yếu lĩnh vực việc hủy bỏ giao thoa khả tăng cường hệ thống Tuy nhiên, lợi ích đến 16 với chi phí thuật tốn xử lý chuyên sâu computationally, nhiều khuếch đại điện rf, cáp nạp hệ thống hiệu chỉnh tăng chi phí loại hệ thống này(hình 15) Mặc dù hệ thống anten thích ứng đề xuất nghiên cứu số thời gian, họ chưa đạt chấp nhận rộng rãi Sự đời kiến trúc sdr cho phép trạm sở ăng ten thông minh nhận Loại kiến trúc giúp giảm thiểu số chi phí, kích thước, cáp hiệu chuẩn Hình 16 trình bày downlink cho bs có ăng ten thích ứng sử dụng SDR Tiết kiệm chi phí MCPA (multicarrier amplifier) cáp rõ ràng 17 Trong trạm base rel (node B) xử lý lớp vật lý truy nhập không dây Các nút khác, chẳng hạn điều khiển mạng radio, phục vụ nút gprs (sgsn) nút gprs handle handle quản lý tài nguyên vô tuyến, quản lý di động, điều khiển phiên, quản lý phiên tối ưu mạng vận chuyển Trong đề xuất kiến trúc dài hạn cho tiến hóa dài hạn, kiến trúc mạng, hàm nút rel GGSN, SGSN RNC chia cổng truy cập Mạng vô tuyến kiến trúc phẳng kết hợp hàm trạm sở, RNC GSN vào nút Trạm gốc trở nên thông minh với chức mạng bổ sung Hồ sơ phải có khả phát triển khả cao so với giọng nói liệu ngày Ngoài yêu cầu lực, BS phải cung cấp dịch vụ linh hoạt đa số giao thức kết nối 18 Tiến hóa mạng di động tương lai thành mạng phẳng trình bày hình 17 bước quan trọng đường dẫn đến kiến trúc kiểu 4G 7) Kết luận Việc sử dụng kỹ thuật vô tuyến định nghĩa cho phép số trạm sở Những kết có lợi cho nhà sản xuất sở nhà điều hành mạng, đặc biệt lĩnh vực tiêu thụ điện chi phí Cơng nghệ sdr ảnh hưởng không đến kiến trúc trạm sở mà cịn mơ hình sản xuất đồ hình mạng Kiến trúc mạng phẳng đơn giản hóa triển khai mạng loại bỏ nhu cầu định cấu hình lại nhiều phần tử mạng phân cấp nút bs thêm vào Mặt khác, áp suất phần cứng phần mềm linh hoạt trở nên cao 19 ... thấy kiến trúc tham chiếu BS với đơn vị RF từ xa 5) Sự tiến hóa kiến trúc trạm sở - Kiến trúc trạm chuyển từ điều biến cụ thể đến kiến trúc định nghĩa phần mềm Bước tiến gần tiêu chuẩn hóa giao di? ??n... kế trạm sở tiến hóa kiến trúc SDR Trong chương 2, hạng mục sdr giải thích sau với việc cho phép cơng nghệ mơ tả chương Tiến hóa kiến trúc phần cứng trạm gốc sdr phân tích chương Sự phát triển kiến. .. dẫn đến sáng kiến Giao di? ??n vô tuyến công cộng chung (CPRI) Sáng kiến tiêu chuẩn trạm sở mở ( OBSAI) để xác định thống kiến trúc trạm gốc cấp độ môđun CPRI làm việc để thiết lập giao di? ??n tiêu chuẩn