High speed downlink packet access

Đề tài Thông tin di động TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG -o-o - BÁO CÁO MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG Người hướng dẫn: Trương Tấn Quang Nhóm thực hiện: Võ Hồng Anh Khoa 0620023 Nguyễn Đình Lãm 0620040 Lê Trung 0620081 Đinh Đức Trọng 0620090 Thành phố Hồ Chí Minh, 2009 Đề tài Thông tin di động Phụ Lục: CHƯƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS .4 1.1 Lịch Sử Phát Triển Của Mạng Thông Tin Di Động 1.1.1 Thế Hệ Đầu Tiên - 1G 1.1.2 Thế Hệ Thứ Hai - 2G : 1.1.3 Thế Hệ Thứ Ba - 3G .6 1.2 Tổng Quan Về Mạng Thông Tin Di Động UMTS 1.2.1 Kiến Trúc Mạng .7 1.2.1.1 Phần Core Network 1.2.1.1.1 SGSN - Serving GPRS Support Node .9 1.2.1.1.2 GGSN – Gateway GPRS Support Node 10 1.2.1.1.3 GMSC ( Gateway MSC) 10 1.2.1.1.4 HLR (Home Location Register) .10 1.2.1.2 Phần Radio Access 10 1.2.1.2.1 Node - B 11 1.2.1.2.2 RNC – Radio Network Controller 12 1.2.1.2.3 UE -User Equipment .13 1.2.1.2.4 Các Giao Diện 13 1.2.2 Các Giao Thức Giao Diện Vô Tuyến 14 1.2.2.1 Kiến Trúc Giao Thức 15 1.2.2.2 Giao Thức Điều Khiển Truy Nhập Môi Trường- MAC 16 1.2.2.2.1 Chức Năng MAC .17 1.2.2.2.2 Các Kênh Logic .19 1.2.2.3 Giao Thức Điều Khiển Liên Kết Vô Tuyến – RLC 19 1.2.2.3.1 Kiến Trúc Lớp RLC 19 1.2.2.3.2 Chức Năng .20 1.2.2.3.2 Chức Năng Và Thủ Tục Báo Hiệu RRC 21 1.2.3 Quản Lý Tài Nguyên Vô Tuyến 22 1.2.3.1 Nhiễu - Cơ Sở Của Quản Lý Tài Nguyên Vô Tuyến .22 1.2.3.2 Điều Khiển Công Suất 23 1.2.3.2.1 Điều Khiển Công Suất Nhanh 23 1.2.3.2.2 Điều Khiển Cơng Suất Vịng Ngồi 24 1.2.3.3 Chuyển Giao –HandOver 25 1.2.3.3.1 Chuyển Giao Cùng Một Tần Số ( Intra-frequency handover ) 26 1.2.3.3.2 Chuyển Giao Giữa Hai Tần Số 26 1.2.3.4 Điều Khiển Quản Trị 27 1.2.3.5 Điều Khiển Tải (Điều Khiển Tắc Nghẽn) .27 1.2.3.6 Phân Bổ Tài Nguyên Mã 28 1.2.3.6.1 Đường xuống 28 1.2.3.6.2 Đường lên 28 1.2.3.7 Bắt đồng mạng 29 CHƯƠNG 2: 30 CÔNG NGHỆ HSDPA CHO MẠNG UMTS .30 2.1 Khái Niệm Công Nghệ HSDPA 30 2.2 Nguyên Lý HSDPA 30 2.3 Kiến Trúc HSDPA .33 2.4 Kiến Trúc Các Kênh Của HSDPA 35 2.4.1 Kiến Trúc Giao Thức 35 Đề tài Thông tin di động 2.4.2 Kiến Trúc Kênh HS-DSCH 36 2.4.2.1 Những Nét Đặc Trưng Của HS-DSCH .36 2.4.2.2 Mơ Hình Lớp Vật Lý Đường Xuống HS-DSCH 37 2.4.2.2.1 Kiểu FDD 37 2.4.2.2.2 Kiểu TDD 39 2.4.2.3 Mơ Hình Lớp Vật Lý Đường Lên HS-DSCH 41 2.4.2.4 Cấu Trúc Lớp Vật Lý HS-DSCH Trong Miền Mã 41 2.4.2.4.1 Kiểu FDD 41 2.4.2.4.2 Kiểu TDD 42 2.4.2.5 Những Thuộc Tính Của Kênh Truyền Tải HS-DSCH .42 2.4.3 Cấu Trúc Kênh HS-SCCH 42 2.4.4 Cấu Trúc Kênh HS-DPCCH .43 2.4.4.1 Phân Đoạn DPCH 44 2.4.4.2 Thích Ứng Liên Kết HS-DSCH .45 2.4.4.3 Tính Di Động 46 2.4.5 Thời Gian Của Các Kênh HSDPA .46 2.5 Kiến Trúc Lớp Điều Khiển Môi Trường Truy Nhập- MAC 47 2.5.1 Kiến Trúc MAC HS-DSCH Phía UE 47 2.5.1.1 Tổng Quan Kiến Trúc .47 2.5.1.2 Đặc Điểm Của MAC-d 48 2.5.1.3 Đặc Điểm Của MAC-c/sh 49 2.5.1.4 Đặc Điểm Của MAC-hs 50 2.5.2.Kiến Trúc MAC HS-DSCH Phía UTRAN 51 2.5.2.1 Kiến Trúc Tổng Quan .51 2.5.2.2 Đặc Điểm MAC-c/sh 52 2.5.2.3 Đặc Điểm MAC-hs 53 2.6 HARQ 54 2.6.1 Các Loại HARQ 54 2.6.2 Giao Thức HARQ 55 2.6.2.1 Báo Hiệu 56 2.6.2.1.1 Đường lên 56 2.6.2.2.2 Đường xuống 56 2.6.2.2 Xử lý lỗi 56 2.6.3 Quản Lý HARQ 57 2.7 Thích Ứng Liên Kết Nhanh 57 2.8 Điều Chế Và Mã Hóa Thích Ứng –AMC Kỹ Thuật Phát Đa Mã 58 2.9 Lập Lịch Gói 60 2.9.1 Lựa Chọn Thuật Toán Lập Lịch 60 2.10 Quản Lý Tài Nguyên Vô Tuyến .60 2.10.1 Các Thuật Toán Tại RNC 60 2.10.1.1 Cấp Phát Tài Nguyên 60 2.10.1.2 Điều Khiển Quản Trị 61 2.10.1.3 Quản Lý Tính Di Động 61 2.10.2 Các Thuật Toán Tại Node-B .62 2.10.2.1 Cơng Nghệ Thích Ứng Liên Kết HS-DSCH 62 2.10.2.2 Điều Khiển Công Suất HS-DSCH 62 2.11 So Sánh Công Nghệ HSDPA Với Công Nghệ CDMA2000 1xEV-DV 63 CHƯƠNG 3: 63 ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HSDPA TRÊN THẾ GIỚI 63 3.1 Ứng Dụng HSDPA 63 Đề tài Thông tin di động 3.2 Phát Triển Của HSDPA 64 CHƯƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS 1.1 Lịch Sử Phát Triển Của Mạng Thông Tin Di Động: Thông tin di động năm 1920, quan an ninh Mỹ bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù thí nghiệm Cơng nghệ vào thời điểm có thành cơng định chuyến tàu hàng hải, chưa thực thích hợp cho thơng tin Các thiết bị cịn cồng kềnh cơng nghệ vơ tuyến cịn gặp khó khăn trước tồ nhà lớn thành phố Vào năm 1930 có bước tiến xa với phát triển điều chế FM, sử dụng chiến trường suốt chiến thứ hai Sự phát triển kéo dài đến thời bình, dịch vụ di động bắt đầu xuất vào năm 1940 số thành phố lớn Tuy vậy, dung lượng hệ thống hạn chế, phải nhiều năm thông tin di động trở thành sản phẩm thương mại Hình trình bày tóm tắt tiến trình phát triển hệ thơng tin di động từ 1G đến 3G Để tiến tới hệ ba, hệ hai phải trải qua giai đoạn trung gian, giai đoạn gọi 2,5G Đề tài Thơng tin di động Hình 1.Tiến Trình Phát Triển Của Thông Tin Di Động 1.1.1 Thế Hệ Đầu Tiên - 1G Tháng 12-1971 hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, dải tần số 850Mhz đời Dựa công nghệ đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Phone Service) phục vụ thương mại Chicago, nước Mỹ Sau hàng loạt chuẩn thông tin di động đời : Nordic Mobile Telephone (NTM), Total Access Communication System (TACS) Giai đoạn gọi hệ thống di động tương tự hệ (1G) với dải tầng hẹp, tất hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số FM cho đàm thoại, điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu kỹ thuật truy cập sử dụng FDMA (Frequency Division Multiple Access) 1.1.2 Thế Hệ Thứ Hai - 2G : Đề tài Thông tin di động Hệ thống thông tin di động thứ hai phổ biến suốt thập niên 90 Sự phát triển công nghệ thông tin di động hệ thứ hai tiện ích làm bùng nổ lượng thuê bao di động toàn cầu Đây thời kỳ chuyển đổi từ công nghệ analog sang digital Giai đoạn có hệ thống thơng tin di động số : GSM-900MHZ (Global System for Mobile), DCS-1800MHZ (Digital Cordless System), PDC - 1900Mhz (Personal Digital Cellular), IS-54 IS-95 (Interior Standard) Trong GSM tiền thân hai hệ thống DCS, PDC Các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access) ngoại trừ IS-95 sử dụng kỹ thuật CDMA (Code Division Multiple Access) Thế hệ 2G có khả cung cấp dịch vụ đa dạng, tiện ích hỗ trợ cho cơng nghệ thơng tin, cho phép thuê bao thực trình chuyển vùng quốc tế tạo khả giữ liên lạc diện rộng họ di chuyển từ quốc gia sang quốc gia khác Năm 2001, nhằm tăng thông lượng truyền để phục vụ nhu cầu truyền thông tin (không phải thoại- phi thoại) mạng di động, GPRS - General Packet Radio Service đời GPRS xem 2,5G Tốc độ truyền liệu (data rate) GSM =9,6Kbps GPRS cải tiến tốc độ truyền tăng lên gấp lần so với GSM, tức 20-30Kbps GPRS cho phép phát triển dịch vụ WAP internet (email) tốc độ thấp.Tiếp theo sau 2003, EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution đời với khả truyền liệu tốc độ lên 250 Kbps (trên lý thuyết) EDGE biết đến 2,75G đường tiến tới 3G 1.1.3 Thế Hệ Thứ Ba - 3G : Từ năm 1992 Hội nghị giới truyền thông dành cho truyền thông số dải tần cho hệ thống di động 3G : phổ rộng 230MHz dải tần 2GHz, 60MHz dành cho liên lạc vệ tinh Sau Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thơng (UIT) chủ trương hệ thống di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT-2000 sử dụng dải 1885-2025MHz 21102200MHz Thế hệ 3G gồm có kỹ thuật : W-CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD TDCDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD Mạng 3G bao gồm mạng :  UMTS sử dụng kỹ thuật W-CDMA chuẩn hoá 3GPP  CDMA 2000 chuẩn hoá 3GPP2  TD-SCDMA phát triển Trung Quốc Đề tài Thông tin di động  FOMA đựoc phát triển Nhật Bản NTT DoCoMo dùng kỹ thuật WCDMA Mục tiêu IMT- 2000 giúp cho thuê bao liên lạc với sử dụng dịch vụ đa truyền thông phạm vi giới, với lưu lượng bit từ 144Kbit/s vùng rộng lên đến 2Mbps vùng địa phương Dịch vụ bắt đầu vào năm 2001- 2002 Cuối năm 2004, điện thoại di động 3G bắt đầu xuất thị trường Có mạng xây dựng tảng công nghệ 3G: UMTS (Universal Mobile Telephone System) - triển khai mạng GSM sẵn có, CDMA2000 dựa tảng mạng CDMA IS95- mang đến khả truyền tải liệu mức 3G cho mạng CDMA Cả UMTS CDMA2000 triển khai Mỹ từ cách nhiều năm Tốc độ hai mạng sánh với chất lượng kết nối DSL UMTS(Universal Mobile Telephone System): dựa công nghệ W-CDMA, giải pháp tổng quát cho nước sử dụng công nghệ di động GSM UMTS tổ chức 3GPP quản lý 3GPP đồng thời chịu trách nhiệm chuẩn mạng di động GSM, GPRS EDGE UMTS cịn có tên 3GSM, dùng để nhấn mạnh liên kết 3G chuẩn GSM UMTS hỗ trợ tốc độ truyền tải liệu đến 1920 Kbps (chứ Mbps số tài liệu thường công bố), thực tế hiệu suất đạt vào khoảng 384 Kbps Tuy nhiên, tốc độ nhanh so với chuẩn GSM (14,4Kbps) HSCSD (14,4Kbps); lựa chọn hoàn hảo cho giải pháp truy cập Internet giá rẻ thiết bị di động Trong tương lai không xa, mạng UMTS nâng cấp lên High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) - gọi với tên 3,5G HSDPA cho phép đẩy nhanh tốc độ tải xuống tới 10 Mbps 1.2 Tổng Quan Về Mạng Thông Tin Di Động UMTS: 1.2.1 Kiến Trúc Mạng: Mạng thông tin di động 3G lúc đầu mạng kết hợp vùng chuyển mạch gói (PS) chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói tiếng Các trung tâm chuyển mạch gói chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM Trên đường phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh dần thay chuyển mạch gói Các dịch vụ kể số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng video) cuối Đề tài Thông tin di động truyền môi trường IP chuyển mạch gói Hình 2.1 cho thấy ví dụ kiến trúc tổng quát thông tin di động 3G kết hợp CS PS mạng lõi Hình 2.1: Kiến trúc tổng quát mạng di động kết hợp CS PS Hình 2.2: Kiến trúc mạng 3GPP phiên R’99 Hình 2.2 cho thấy ta thấy cấu trúc mạng 3G dựa sở kỹ thuật W-CDMA 3GPP phiên R’99 (Tập tiêu chuẩn cho UMTS ) Đề tài Thơng tin di động Mạng UMTS gồm có hai phần: phần mạng truy nhập vô tuyến – UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), phần mạng lõi (Core network) Phần Core Network có core cho data bao gồm SGSN, GGSN Phần core cho voice có MCS GMSC Phần UTRAN bao gồm Node B RNC 1.2.1.1 Phần Core Network: Mạng lõi có chức cung cấp trường chuyển mạch, định tuyến tìm đương cho lưu lượng người sử dụng Đồng thời mạng lõi chứa sở liệu chức quản lý mạng Kiến trúc sở mạng lõi cho mạng UMTS dựa sở mạng GSM với GPRS Tất thiết bị sửa đổi cho hoạt động dịch vụ UMTS Chuyển mạch mạng lõi chia thành hai trường chuyển mạch chuyển mạch kênh chuyển mạch gói Các thiết bị chuyển mạch kênh MSC, VLR Gateway MSC Các thiết bị chuyển mạch gói SGSN, GGSN Các thiết bị mạng như: EIR, HLR, VLR AUC dùng chung cho hai trường Mạng lõi sử dụng phương thức truyền tải không đồng bộ- ATM Các thành phần mạng lõi có vai trị chức năng: 1.2.1.1.1 SGSN - Serving GPRS Support Node: mạng lõi có nhiều SGSN, SGSN lại kết nối trực tiếp với số RNC RNC lại quản lý số Node B Mỗi Node B lại có UE kết nối với Vì SGSN quản lý tất UE kết nối dịch vụ data vùng quản lý Cụ thể là: - Xác nhận (Authenticate) UE dùng dịch vụ data kết nối với - Quản lý việc đăng ký UE vào mạng - Quản lý trình di động UE, SGSN quản lý UE kết nối với Node B thời điểm Tùy theo UE chế độ hoạt động liên lạc (active) hay khơng liên lạc (idle) mà độ xác thơng tin liên quan đến vị trí UE khác SGSN quản lý theo dõi thay đổi vị trí UE theo thời gian dựa vào location area identity/ routing area identity - Thiết lập, trì giải phóng “ PDP Context ”( thông tin liên quan đến connection UE mà cho phép quy định việc gửi nhận thông tin UE ) - Nhận chuyển thơng tin từ ngồi mạng data (ví dụ: Internet ) chuyển tới UE ngược lại - Quản lý việc tính cước UE Đề tài Thơng tin di động - Tìm đánh thức UE rỗi có gọi tìm đến UE (Paging) 1.2.1.1.2 GGSN – Gateway GPRS Support Node: cổng kết nối mạng GPRS/UMTS với mạng bên ( External network: internet, mạng GPRS khác) Nó có vai trị: - Nhận chuyển thông tin từ UE gửi mạng External ngược lại từ bên ngồi đến UE Gói thơng tin từ SGSN gửi đến GGSN “Decapsulate” trước gửi ngồi thơng tin truyền SGSN GGSN truyền “ GTP tunnel” - Nếu thơng tin từ ngồi gửi đến GGSN để gửi tới UE chưa tồn “PDP Context” GGSN gửi thông tin yêu cầu SGSN thực “Paging” sau thực q trình PDP Context để chuyển gọi tới UE - Trong suốt trình liên lạc mạng UMTS UE kết nối với GGSN (GGSN kết nối dịch vụ mà UE dùng) dù có di chuyển nơi mạng Dĩ nhiên SGSN, RNC Node- B thay đổi GGSN tham gia quản lý trình di động UE 1.2.1.1.3 GMSC ( Gateway MSC): điểm chuyển mạch, nới mà mạng di động mặt đất công cộng UMTS kết nối tới mạng chuyển mạch kênh bên Tất kết nối chuyển mạch kênh tới từ mạng chuyển mạch kênh qua GMSC 1.2.1.1.4 HLR (Home Location Register): Là sở liệu lưu giữ lâu dài thông tin thuê bao HLR chứa thơng tin định vị trí th bao, chi tiết liên quan đến hợp đồng thuê bao người dùng dịch, nhận dạng thuê bao, thơng số K-I dùng q trình bảo mật chứng thực HLR trung tâm nhận thực AuC quản lý an toàn số liệu thuê bao  MSC/VLR (Mobile Services Switching Centre/ Visitor Location Register): 1.2.1.2 Phần Radio Access: Mạng truy nhập vô tuyến chứa phần tử sau: - RNC: Radio Network Controller, điều khiển mạng vơ tuyến đóng vai trị BSC mạng thông tin di dộng - Node- B: đóng vai trị BTS mạng thơng tin di động - UE: User Equipment, thiết bị người sử dụng 10