Tiểu Luận - Thu Phát Vô Tuyến - Đề Tài - Sự Phát Triển Của Kiến Trúc Trạm Gốc Di Động

- - HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI TẬP SỰ PHÁT TRIỂN CỦA KIẾN TRÚC TRẠM GỐC DI ĐỘNG Tên học phần: THU PHÁT VÔ TUYẾN Sự phát triển kiến trúc trạm gốc di động Igor S Simić Với gia tăng tiêu chuẩn không dây GSM / EGPRS, WLAN, WiMAX, WCDMA, HSDPA / HSUPA WiBRO -các trạm gốc vô tuyến không dây tương lai cần hỗ trợ nhiều giao diện khơng khí, dải tần định dạng điều chế Công nghệ vô tuyến cho phép phần cứng cấu hình lạiqua nhiều tiêu chuẩn thách thức lớn nhà phát triển trạm gốc Trong báo này, kiến trúc trạm gốc phát triển theo hướng công nghệ vô tuyến xác định phần mềm đầy đủ phân tích Từ khóa - Kiến trúc trạm gốc, phần mềm định nghĩa vơ tuyến, xử lý tín hiệu băng sở I.GIỚI THIỆU Các tiêu chuẩn giao tiếp không dây phát triển nhanh chóng Mối quan tâm cấu trúc liên kết mạng di động phụ thuộc vào thiết bị vơ tuyến đắt tiền khó nâng cấp Trong mạng di động, thiết bị vô tuyến nằm trạm gốc (BS) phân phối rộng rãi toàn mạng Các nhà khai thác mạng phải tái tạo lại trạm gốc thiết bị vô tuyến hoặclắp đặt trạm mới, họ muốn giới thiệu băng tần mới, bổ sung dung lượng, nâng cao hiệu phổ, nâng cấp công nghệ thêm dịch vụ Có thể tóm tắt số lượng công nghệ khác cung cấp giải pháp hiệu tương đối rẻ tiền cho vấn đề xây dựng trạm gốc vô tuyến di động đa chế độ, đa băng tần, đa chức năng, phần mềm xác định radio (SDR) Khơng có định nghĩa SDR tồn Thơng thường, coi tổng hợp công nghệ phần cứng phần mềm, phần thiết yếu hoạt động cấu hình lại cách nâng cấp phần mềm Các thuật ngữ khác sử dụng ngữ cảnh hệ thống di động lập trình cấu hình lại là: thiết bị đầu cuối đa tiêu chuẩn, vô tuyến nhận thức, vô tuyến cấu hình lại vơ tuyến kiến trúc linh hoạt Cơng nghệ Bộ Quốc Phịng Hoa Kỳ thúc đẩy để thay số giao thức đơn lẻ radio tảng chung lập trình lại để đảm bảo khả tương tác Trong bối cảnh quân sự, lợi ích SDR rõ ràng: thay đổi đột xuất không mã xáo trộn / mã hóa mà cịn sơ đồ điều chế, tốc độ liệu, băng thông kênh Để phát triển tiêu chuẩn cho thiết bị phủ Hoa Kỳ,dự án Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS) tạo JTRS bắt đầu vào năm 1997 để thay khoảng 750 000 máy thu phát quân 250 000 đàm SDR Trong năm qua, phạm vi JTRS mở rộng phép khả tương tác với NATO hệ thống vô tuyến khác “Lực lượng Đồng minh” Trong phần mềm liên lạc di động, đài phát lên “chủ đề” vào đầu năm 1990, nhiều người nhìn thấy cơng nghệ giải pháp cho vấn đề xử lý tín hiệu phức tạp cần thiết thiết bị đầu cuối di động đa chế độ / đa băng tần đại Gần đây, hầu hết thiết kế trạm gốc phát triển theo hướng kiến trúc SDR Trong chương 2, danh mục SDR giải thích theo sau với cơng nghệ cho phép mô tả chương Sự phát triển phần cứng trạm gốc kiến trúc hướng tới SDR phân tích chương II Danh mục SDR Diễn đàn SDR (Tổ chức quốc tế thúc đẩy phát triển sử dụng công nghệ SDR) tạo nhóm danh mục phần mềm vô tuyến (gọi bậc) Bao gồm:  Bậc 0: Radio phần cứng  Bậc 1: Bộ đàm điều khiển phần mềm với chức điều khiển thực phần mềm Xử lý băng tần sở thực với ASIC phần cứng cố định Bậc 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 Bậc 3: Đài phát phần mềm lý tưởng có tất tính 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 toàn hệ thống, với chuyển đổi tương tự diễn ăng-ten, loa micrô    Bậc 4: Đài phát phần mềm tối ưu định nghĩa diễn đàn SDR mục đích so sánh TX / RX PA DAC Hình 1: Kiến trúc SDR lí tưởng Hình cho thấy đài phát phần mềm lý tưởng, nơi chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số diễn sau ăng-ten tất xử lí thực phần mềm Phương pháp tuần hồn thơng thường sử dụng để cách ly phận phát thu thu phát Nhược điểm kiến trúc toàn phổ RF chuyển đổi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kĩ thuật số (ADC) làm cho thông số kỹ thuật Xử lý tín hiệu Băng tần kỹ thuật số thiết bị (băng thông, dải động tốc độ lấy mẫu) thực với công nghệ ngày Tất chức thực phần mềm bao gồm xử lý IF RF tín hiệu, chức băng tần 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 gốc ngày triển khai dạng mã phần mềm dạng phận phần cứng Đây coi phần mềm radio thực tế DUC DDC : Bộ chuyển đổi Downconverter kỹ thuật số DPD DUC : Bộ chuyển đổi kỹ thuật số DDC PA DPD: Dự đoán kỹ thuật số Hình 2: Kiến trúc SDR hệ 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 lí tín hiệu kỹ thuật số miền băng sở ăng ten Điều làm tăng tính linh hoạt hệ thống đồng thời giảm chi phí sản xuất Chuyển đổi tần số kĩ thuật số cung cấp tính linh hoạt cao hiệu suất cao (về mặt suy giảm chọn lọc) so với tín hiệu 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 cơng 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 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 công suất chuỗi máy phát (tức thu phát khuếch đại công suất) cải thiện từ mức thường 10% lên khoảng 18% Hiệu lượng có mơi trường tác động ảnh hưởng đến chi phí hoạt động Tiêu thụ điện thấp làm giảm chi phí lượng giảm phí theo yêu cầu (ampe hợp đồng) Công nghệ DPD cho phép radio hoạt động phận BS tích hợp thành đơn vị vơ tuyến hồn chỉnh (RU) với tín hiệu đầu vào băng gốc 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 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 lưu lượng, môi trường hiệu ứng lão hóa Hình 3: Ngun tắc phân bố kĩ thuật số Trong chuyển đổi kỹ thuật số lên (DUC), phức hợp đầu vào tín hiệu băng gốc lấy mẫu tốc độ lấy mẫu tương đối thấp, điển hình tốc độ ký hiệu điều chế kỹ thuật số Băng tần tín hiệu 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 tín hiệu tương tự cuối (Hình 4) Lọc nội suy NS Hình 4: Bộ chuyển đổi kỹ thuật số lên (DUC) Ở phía đầu thu, Bộ chuyển đổi kỹ thuật số xuống (DDC) dùng 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 thành tốc độ lấy mẫu thấp trước gửi đến tảng DSP chung IF từ ADC NS cos tội Hình Bộ chuyển đổi kỹ thuật số xuống (DDC) Bản dịch tín hiệu IF kỹ thuật số sang băng tần sở hiển thị tranh Băng rộng quang phổ ban đầu Tín hiệu hữu ích quang phổ Hình 6: Dịch xuống tín hiệu DDC III Cơng nghệ khởi động SDR Các công nghệ bán dẫn cho phép hệ thống SDR ADC/DAC, xử lí tín hiệu kỹ thuật số (DSP), mảng cổng lập trình trường (FPGA), lọc khuếch đại RF ADC yếu tố quan trọng SDR tốc độ xác định khối xây dựng trạm gốc SDR chắn công nghệ cho phép ban đầu 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 IV Kiến trúc SDR BS 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/truyền tín hiệu chuyển đổi chúng từ/sang liệu kỹ thuật số Mơ-đun băng tần sở xử lý tín hiệu mã hóa trước truyền/nhận từ/đến mạng lõi thông qua mô-đun truyền dẫn Sự phối hợp ba chức trì mơ-đun điều khiển Một số điểm tham chiếu (RP) xác định với trọng tâm ngành đạt chi phí thấp cho mơ-đun khác Ví dụ trạm gốc SDR thể Hình Baseband Đơn vị RF RP3 P2 RF Đơn vị Đơn vị RF ơn vị RF RP1 Quạt FCU NS O NS O NS O Xe buý t Xe buý t Xe buý t DC r a DC r a DC r a Kiến Nguồn cấp điện NS AC AC Kiến NS Kiến NS Các đơn vị lọc AC / DCF TX CBU1 TX TX RUIF Hình 8: Mơ đun Trạm gốc WCDMA Ericsson vận HaiĐiều kiểukhiển tổngvà hợp tài nguyên khác sau xácđơn định Các vịcho trạm chuyển băng thông radio Tổng hợp tài nguyên lớp tần số khác trạm gốc Tổng hợp tài nguyên khu vực (ô) khác trạm gốc DC ET NS ET 3- ET / E T / RAX / RAX / RAX / RAX / RAX / RAX / O gốc:   GPS NS NS NS NS Quyề n - 48 V Quyề n Quyề n Kết là, tổng công suất BS cung cấp với tài sản nguồn lực cho lĩnh vực khác tách biệt với Tổng mức tăng gộp trạm gốc cịn cao kiến trúc phần cứng cho phép tổng hợp khơng cung khác mà cịn lớp tần khác (hình 9) Hình 9: Tổng công suất băng tần sở Trong tiêu chuẩn 3GPP, thuật ngữ "phần tử kênh" giới thiệu để đo khả xử lí 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 số lượng người dùng đồng thời cho mang sóng vơ tuyến cụ thể Mặc dù CE tài ngun tương đương khơng 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 ngun CE có cần thiết cho tín hiệu chung, phép đo chế độ nén, v.v.), 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 mô-đun RF nhằm khuyến khích nguồn thay thế, cạnh tranh cho mơ-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 lí RF front-end tới baseband Thông số kĩ 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 mơ-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 với BS lớn, quản lí dễ dàng so với cấu trúc liên kết lưới Tác phẩm OBSAI RP3 phần mở rộng RP3-01 Nó định giao thức giao diện RP3 để sử dụng đơn vị RF từ xa Hình 10 cho thấy tài liệu tham khảo kiến trúc BS với đơn vị RF từ xa Hình 10: Kiến trúc đơn vị vơ tuyến từ xa OBSAI V Sự phát triển kiến trúc trạm sở Kiến trúc trạm gốc chuyển từ kiến trúc dành riêng cho điều chế sang kiến trúc phần mềm xác định Động thái gần hướng tới tiêu chuẩn hóa giao diện kỹ thuật số BS nội bộ, sáng kiến OBSAI CPRI, sửa đổi mơ hình sản xuất BS Các giao diện tiêu chuẩn hóa tạo hội cho nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) thuê phần cứng thẻ kĩ thuật số băng tần sở sản xuất phần cứng thu phát RF công suất cao Điều giúp OEM tự tập trung vào phần mềm dịch vụ ứng dụng phức tạp, vốn yếu tố khác biệt họ nhiều ứng dụng (Hình 11) Trong trạm gốc thơngHình thường, băng gốc vàxuất phần RF thu phát thường gần 11: Mơ hình sản BS RF không tạo gần với ăng-ten (điểm sử dụng mặt vật lý Tuy nhiên, nguồn dự định nó) lượng đáng kể bị lãng phí cáp Có hai cấu trúc liên kết thay kích hoạt cách sử dụng SDR: trạm gốc phân tán kiến trúc mạng RF mồ cơi (cịn gọi “BS hotelling”) Một ví dụ tách biệt đơn vị kỹ thuật số RF (kiến trúc BS phân tán) việc sử dụng thu phát RF (đơn vị RFtừ xa - RRU) đỉnh tháp chứa ăng ten phát nhận, minh họa Hình 12 Các phận BS cịn lại dễ dàng đặt khơng gian tầng hầm chi phí thấp hơn, với liên kết cáp quang hai Cách tiếp cận có số lợi ích so với cách tiếp cận truyền thống hơnlà gắn khuếch đại tủ BS, loại bỏ tổn hao cáp RF cơng suất cao Hình 12: Kiến trúc BS với đơn vị RF kỹ thuật số tách biệt Khái niệm “khách sạn” BS minh họa Hình 13 Đây triển khai mạng phần lớn thành phần trạm gốc truyền thống đặt vị trí trung tâm (trung tâm) Trung tâm đặt vị trí thuận tiện, chi phí thấp, ví dụ, tầng hầm tịa nhà khu cơng nghiệp ngoại thành Điều để lại tối thiểu thành phần u cầu phải đặt vị trí Tất thành phần mạng, phần tử giao diện, v.v., chức tạo tín hiệu băng tần sở, điều chế, giải điều chế, mã hóa đóng khung đặt trung tâm trạm gốc trung tâm Hub giao tiếp trực tiếp với mạng lõi nhận tất gọi thuê bao từ Nó tạo nhận mẫu liệu điều chế cần thiết để truyền đến / từ thiết bị RF từ xa Ví dụ BS với kiến trúc RF mồ cơi hiển thị Hình 14 RRU đặt cách đơn vị BS 15km (MU) Ngồi ra, kết nối MU-RRU thiết lập RRU xếp tầng Các tiêu chuẩn giao diện khơng khí vơ tuyến liên tục phát triển để hỗ trợ tốc độ liệu cao thông qua việc giới thiệu kỹ thuật xử lý băng tần sở tiên tiến điều chế mã hóa thích ứng, mã hóa khơng-thời gian (STC), định dạng chùm tia kỹ thuật ăng ten đa đầu vào nhiều đầu (MIMO) Hệ thống ăng-ten thơng minh mang lại lợi ích đáng kể cho mạng di động Những lợi ích chủ yếu nằm lĩnh vực cải thiện khả loại bỏ nhiễu nâng cao lực hệ thống Tuy nhiên, lợi ích kèm với chi phí thuật tốn xử lý tính tốn chun sâu, nhiều khuếch đại cơng suất RF, cáp trung chuyển hệ thống hiệu chuẩn làm tăng chi phí loạ i hệ thống (Hình 15) Mặc dù hệ thống ăng ten thích ứng đề xuất nghiên cứu thời gian, chúng chưa đạt chấp nhận rộng rãi Sự đời kiến trúc SDR cho phép thực hóa trạm gốc ăng ten thơng minh Loại kiến trúc hỗ trợ giảm thiểu số vấn đề chi phí, kích thước, hệ thống cáp hiệu chuẩn DAC Basebend DAC Basebend DAC Basebend DAC Basebend Hình 15: Đường xuống ăng ten thích ứng dựa BS thơng thường Hình 16 cho thấy đường xuống cho BS với ăng ten thích ứng mảng sử dụng SDR Tiết kiệm chi phí MCPA (Multicarrier-Bộ khuếch đại cơng suất đa sóng) dây cáp điều hiển nhiên Mạng truy nhập vô tuyến kiến trúc phẳng kết hợp chức trạm gốc, nút RNC GSN thành nút Trạm gốc trở thành nút thông minh vớibổ sung chức mạng BS phải có khả phát triển đến cơng suất cao nhiều so với cơng suất giọng nói liệu ngày Ngoài yêu cầu lực, BS phải cung cấp dịch vụ linh hoạt đa dạng giao thức kết nối Hình 17: Kiến trúc mạng phẳng phát triển chức BS Sự phát triển mạng di động tương lai thành mạng phẳng thể Hình 17 bước quan trọng đường hướng tới kiến trúc kiểu 4G VI.Kết luận Việc sử dụng kỹ thuật vô tuyến xác định phần mềm cho phép tạo số cấu trúc liên kết trạm gốc Các cấu trúc liên kết mang lại lợi cho nhà sản xuất trạm gốc nhà khai thác mạng, đặc biệt lĩnh vực tiêu thụ điện chi phí Cơng nghệ SDR khơng ảnh hưởng đến kiến trúc trạm gốc mà cịn ảnh hưởng đến mơ hình sản xuất cấu trúc liên kết mạng Kiến trúc mạng phẳng đơn giản hóa việc triển khai mạng loại bỏ cần thiết phải cấu hình lại nhiều phần tử mạng phân cấp nút BS thêm vào Mặt khác, áp lực lên tính linh hoạt phần cứng phần mềm BS trở nên cao