Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE

Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động phát triển rất nhanh, theo hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU) số thuê bao điện thoại di động toàn cầu hiện đạt mức 4,6 tỷ thuê bao và dùng rộng rãi thế hệ thứ ba (3G), có thể cung cấp đa dạng dịch vụ với tốc độ cao, chất lượng cao, và đang hướng đến 4G. Các mạng 3G đã triển khai nhiều nước trên thế giới, ngay cả trước khi chúng được khai thác, các hoạt động nâng cấp chúng đã được quan tâm – đề án công tác thế hệ ba (3GPP – The Third Generation Partnership Project). Khoảng 10 năm trước, số thuê bao di động 3G trên toàn thế giới khoảng trên 300 triệu, nhưng đến năm 2007 đã lên tới 3,1 tỷ và hiện nay là 4,6 tỷ (nghĩa là hơn một nửa số dân trên thế giới). Theo thống kê, hiện trên thế giới có khoảng hơn 300 mạng UMTS, trong đó có hơn 35 mạng HSPA đang hoạt động, với hơn 200 triệu khách hàng. Nói cách khác, gần 40% thuê bao 3G trên thế giới hiện đang được sử dụng công nghệ truyền tải dữ liệu tốc độ cao HSPA; ngoài ra đến 2011 LTE – giai đoạn đầu của 4G cũng sẽ được triển khai. Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speech Downlink Packet Access) là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên tới 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP – 3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều biến QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng AMC (Adaptive Modulation and Coding – mã hóa kênh và điều biến thích nghi). Để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High Speech Uplink Packet Access – truy nhập gói đường lên tốc độ cao) là công nghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ 3,5G. Đây là công nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ đường lên: từ 1,4Mbps đến Vũ Thị Hiền mã số 504102020 1 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com 5,76Mbps. Ngược lại với HSDPA, HSUPA sử dụng kênh truyền nâng cao tốc độ đường lên E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) theo các kỹ thuật tương tự HSDPA. Mục tiêu chủ yếu của HSUPA là cải tiến tốc độ tải lên cho các thiết bị di động và giảm thời gian trễ trong ứng dụng game, email, chat . HSUPA là công nghệ phát triển sau HSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tương tác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Để tìm hiểu rõ hơn về HSUPA em đã chọn đề tài “Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE” nhằm mục đích nghiên cứu cấu trúc các kênh số liệu và báo hiệu được sử dụng cho HSUPA. Đồ án gồm 3 chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan phát triển 3G lên 4G Chương 2: Các công nghệ cơ bản của 3GPP LTE Chương 3: Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của PGS.TS Phan Hữu Huân, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn, và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Do hạn chế về thời gian và kiến thức, đồ án tốt nghiệp của em còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Vũ Thị Hiền mã số 504102020 2 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Chương 1 TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G LÊN 4G 1.1. QUÁ TRÌNH TIÊU CHUẨN HÓA WCDMA/HSPA TRONG 3GPP : 1.1.1. Chuẩn hóa trong 3GPP : a.Chuẩn hóa HSDPA : Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kế hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi tiến hành hiệu chỉnh WCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy nhập gói. Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi (danh mục nghiên cứu) cho HSDPA vào đầu năm 2000. Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủng hộ). Các hãng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộc phía các nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTT DoCoMo thuộc phía các nhà khai thác. Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN. Trong danh mục nghiên cứu HSDPA có các vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu gói đường xuống so với R3. Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hóa và điều biến thích nghi. Cùng với nghiên cứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiều anten (MIMO) và vấn đề chọn nhanh FCS (Fast Cell Selection). Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, và đây là lý do nó có mặt trong các chuyên đề R7. Nghiên cứu khả thi FCS đã đưa ra kết luận, lợi ích nhận được không nhiều so với việc tăng thêm độ phức tạp. Sau kết luận này không đưa ra các nghiên cứu nào về FCS. Trong khi tập trung vào ghép song công phân chia theo tần số (FDD), ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA Vũ Thị Hiền mã số 504102020 3 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD(TDD băng hẹp và băng rộng). b.Chuẩn hóa HSUPA : Chuẩn hóa HSUPA là thuật ngữ được dùng rộng rãi trên thị trường; trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên “kênh riêng đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Uplink Dedicated Channel). Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSUPA và được bắt đầu bằng danh mục nghiên cứu về “tăng cường đường lên cho các kênh truyền tải”. Vấn đề này được sự ủng hộ của các nhà máy: Motorola, Nokia và của các hãng Ericsson, như chỉ ra trên hình 1.1. Hình 1.1 – Các kỹ thuật được xem xét cho HSUPA Danh mục nghiên cứu kết thúc 03/2004 với khuyến nghị bắt đầu nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request – yêu cầu phát lại tự động) lớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI (Transmission Time Interval) ngắn hơn. Ngoài ra, cơ chế thiết lập kênh DCH (Dedicated Channel – kênh điều khiển) nhanh hơn không đưa vào khuyến nghị này, nhưng các vấn đề này đã được đề cập trong danh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6. Hình 1.2 trình bày các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B Điều biến bậc cao hơn HARQ cho đường lên Thiết lập kênh riêng nhanh HSUPA ? 4 Thiết lập TTI nhanh cho đường lên Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 1.2 – Các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA Quá trình nghiên cứu tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP được mô tả trên hình 1.3. Hình 1.3 – Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP 1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA): Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B TTI ngắn hơn cho đường lên HARQ cho đường lên HSUPA 10/02 04-11/04 03/04 2005 12/04 Quyết định tích cực Các thực hiện để tiến vào thị trường 03/04 02/04 Bắt đầu nghiên cứu khả thi Phân tích ảnh hưởng và lợi ích trong nhóm công tác Trình bày kết quả cho TSG Tạo lập danh mục nghiên cứu Nghiên cứu chi tiết và đưa ra các yêu cầu thay đổi Chấp thuận yêu cầu thay đổi Tạo lập các đặc tả Hiệu chỉnh và kết thúc các danh mục nghiên cứu 5 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Trong khi HSUPA được đặc tả, vẫn có các nghiên cứu phát triển để cải thiện R6 HSDPA cũng như một số các lĩnh vực khác như: đặc tả hiệu năng cho các đầu cuối tiên tiến hơn sử dụng thu phân tập và (hoặc) các máy thu tiên tiến; cải thiện tầm phủ sóng cho đường lên bằng cách sử dụng báo hiệu phản hồi đường lên; các cải thiện trong lĩnh vực di động của HSDPA bằng báo hiệu nhanh hơn và thời gian xử lý ngắn hơn. Một danh mục nghiên cứu với tên “kết nối liên tục cho các người sử dụng số liệu gói” đã được định nghĩa bởi R7 với mục đích giảm chi phí trong các thời gian phục vụ và duy trì liên kết nhưng không có lượng số liệu cần thiết. Một ví dụ cho kiểu dịch vụ này là dịch vụ thoại trên cơ sở gói với tên gọi phổ biến là VoIP. Danh mục nghiên cứu MIMO vẫn tiếp tục được tiến hành với nhiều đề xuất. Nguyên tắc chủ yếu là dùng hai (hay nhiều) anten phát với các luồng thông tin khác nhau và sau đó sử dụng hai (hay nhiều) anten kết hợp với xử lý tín hiệu tiên tiến tại đầu cuối để phân tích các luồng này như minh họa trên hình 1.4. Hình 1.4 – Nguyên lý MIMO với hai anten phát và hai anten thu Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Đầu cuối với máy thu và khả năng giảm mã MIMO PA – Bộ khuếch đại công suất Các bộ lọc RF và băng gốc Phần phát BTS với khả năng có hai máy phát trên một đoạn ô Giải trải phổ và giải mã không gian thời gian 6 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Thách thức chủ yếu là phải chứng minh rằng liệu có nhận được tăng độ lợi đáng kể so với độ lợi nhận được từ các cải thiện hiệu năng trong R6 và các giải pháp cải thiện dung lượng hiện có bằng cách bổ sung thêm máy phát. Các kết luận trong 3GPP cho đến thời điểm này chỉ là trong môi trường ô vĩ mô; HSDPA với MIMO hình như không mang lại lợi ích về dung lượng so với trường hợp thu phân tập và máy thu tiên tiến đầu cuối. Vì thế thách thức này vẫn còn tiếp tục được xem xét trong R7; nghiên cứu sẽ hướng đến các ô nhỏ hơn (các ô vi mô). Các danh mục nghiên cứu cho HSDPA và HSUPA gồm vấn đề giảm trễ thiết lập cuộc gọi chuyển mạch gói PS (Packet Switch) và chuyển mạch kênh CS (Channel Switch) nhằm rút ngắn thời gian từ trạng thái rỗi sang trạng thái tích cực (cell – DCH). Vì hầu hết các bước trong WCDMA sẽ vẫn giữ nguyên không liên quan đến cuộc gọi CS hay PS, nên các cải thiện này mang lại lợi ích cho cả HSDPA/HSUPA lẫn thiết lập cuộc gọi thoại bình thường, nghĩa là các thiết bị hiện có có tiềm năng hơn vì các đầu cuối thay đổi, nhận được thêm các cải thiện trong hầu hết các trường hợp. Phát triển HSPA trong R7 (hay còn gọi là HSPA+) đã đưa đến tốc độ 28 Mbps cực đại trên đường xuống và 11Mbps cực đại trên đường lên. 1.2. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LTE (Long Term Evolution): Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E – UTRAN TSG (Technical Specification Group – nhóm đặc tả kỹ thuật). Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kỹ thuật là được tán thành. Thậm chí trong các cuộc họp sau đó thì vấn đề này vẫn được xem xét lại. 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN. Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP, như chỉ ra trên hình 1.5. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 7 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 1.5 – Lộ trình phát triển 3GPP Các vấn đề nghiên cứu thực hiện trong hai TSG : • TSG RAN : Nghiên cứu chuẩn cho giao diện vô tuyến. • TSG SA : Nghiên cứu kiến trúc mạng. Quá trình nghiên cứu được, tiến hành trong nhóm TSG 3GPP LTE/SAE dưới điều hành của PCG ( Project Coordination Group – nhóm điều phối đề án 3GPP ) được mô tả trên hình 1.6. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 R3 (R99) 12/1999 CS và PS Các kênh mang R3 MMS Các dịch vụ định vị R4 03/2001 Các tăng cường TD – SCDMA …………… R5 03/2002 HSDPA IMS Thoại AMR - WB …………… R6 05/2005 Đường lên tăng cường (E - DCH) MBMS Tương tác WLAN - UMTS R7, R8,…. LTE SAE Phát triển HSPA ………………. 8 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 1.6 – Tổ chức các nhóm điều phối đề án 3GPP 1.3. IMT – Adv VÀ LỘ TRÌNH TỚI 4G: Trong ITU, nhóm công tác 8F ( ITU – R WP 8F ) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT – 2000. Khả năng IMT – 2000, các tăng cường của nó và các hệ thống bao gồm các giao diện sau IMT – 2000 được chỉ ra trên hình 1.7 và bảng 1.1 là mục tiêu của 4G. Vũ Thị Hiền mã số 504102020 PCG (Nhóm điều phối đề án 3GPP) (nhóm điều phối đề án 3GPP) TSG GERAN (mạng truy nhập vô tuyến) GERAN WG1 (các vấn đề vô tuyến) GERANWG2 (mạng vấn đề giao thức) GERAN WG3 (Đo kiểm đầu cuối) TSG GERAN (mạng truy nhập vô tuyến) GERAN WG1 (đặc tả lớp 1 vô tuyến) GERANWG2 (đặc tả lớp 2 và RR lớp 3 vôtuyến) GERAN WG3 (đặc tả IuB, Iur, Iu) GERAN WG4 (Hiệu năng vô tuyến) GERAN WG5 (đo kiểm lớp chuẩn đầu cuối) GERAN SA (các vấn đề dịch vụ và hệ thống) TSG CT (mạng lõi và đầu cuối) SA WG1 (các dịch vụ) CT WG5 (Truy nhập với dịch vụ mở OSA) SA WG3 (an ninh) SA WG4 (codec) SA WG5 (Quản lý viễn thông) CT WG1 (MM/CC/SM (In)) CT WG3 (Tương tác với mạng ngoài) CTWG4 (MAP/GTP/ BCH/SS) BCH/SS) SA WG2 (kiến trúc) CT WG6 (Các vấn đề ứng dụng hệ thông minh) 9 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Bảng 1.1 – Mục tiêu của 4G Tốc độ số liệu 100 Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp Kết nối mạng Hoàn toàn IP Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục Trễ Thấp hơn 3G Trễ kết nối Thấp hơn 500ms Trễ truyền dẫn Thấp hơn 5ms Giá thành/bit 1/10 – 1/100 thấp hơn 3G Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G ( khoảng 1/10 ) Hình 1.7 – Các khả năng của IMT – 2000 và các hệ thống sau IMT – 2000 theo khuyến khích M.1654 của ITU – R ITU – R WP 8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới cho các khả năng IMT – 2000, tuy nhiên chưa chỉ ra công nghệ nào. Thuật Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Thấp 100Mbps10Mbps1Mbps Khả năng di động Cao IMT - 2000 tăng cường IMT - 2000 Phát triển 3G truy nhập không dây nội hạt/**** 1000Mbps truy nhập vô tuyến mới 10 [...]... Neo E 3GPP SGi SAE S1 SGi Internet S7 IASA S2 Lõi gói phát S2 x+ PCFR2* Truy nhập IP của WLAN 3GPP Hình 1.14 – Kiến trúc mô hình LTE theo TR.13.822 Chương 2 CÁC CÔNG NGHỆ CƠ BẢN CỦA 3GPP LTE 2.1 TRUY N DẪN ĐA TRUY NHẬP CỦA LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN 3G LÊN 4G CỦA 3GPP LTE: Vũ Thị Hiền mã số 504102020 23 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com 2.1.1.Mở đầu: Ghép kênh phân chia theo tần số trực... Kbps cho tốc độ cực đại tới hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau Hình 1.10 minh họa điều này cho HSDPA R5 HSDPA Số liệu từ GGSN Đầu cuối Iub Tốc độ HS – DSCH đỉnh 14,4 Mbps Nút B Iu-CS RNC Tốc độ bit Iub Thông số QoS: 0 – 3 Mbps trên 2ms SGSN tốc độ bit cực đại: 3Mbps Vũ Thị Hiền mã số 504102020 13 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 1.10 - Tốc độ số liệu khác... hiệu cho phading chọn lọc tần số trong máy di động Đây là một Vũ Thị Hiền mã số 504102020 24 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com công nghệ có nhiều tiềm năng cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống thông tin di động tương lai 2.1.2 Nghiên cứu hoạt động của OFDM: Hình 2.1 – Ký hiệu điều biến và phổ của tín hiệu OFDM Kiểu truy n dẫn OFDM là dạng truy n dẫn đa sóng mang, có... được định cỡ tùy theo kích thước của phổ được ấn định Tốc độ đỉnh tức thời của LTE cho đường xuống đạt đến 100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz (5bps/Hz), và tốc độ đỉnh đường lên là 50Mbps khi băng thông được Vũ Thị Hiền mã số 504102020 15 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com cấp phát cực đại là 20MHz (2,5bps/Hz) băng thông LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25MHz đến 20MHz,... đường xuống và lên là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường lên và đường xuống Thông thường đường lên rất nhạy cảm với nhiễu vì thế giá thành để đảm bảo hiệu quả tách sóng trong đường lên cao hơn đường xuống Bảng 1.2 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE và HSDPA Thông số Tốc độ đỉnh (Mbps) Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) Thông lượng người sử dụng HSDPA (R6) LTE Đích LTE/ yêu... tần số trong truy n dẫn OFDM: Như đã biết, chất lượng kênh vô tuyến luôn bị phading chọn lọc tần số làm thay đổi trong miền tần số Vũ Thị Hiền mã số 504102020 31 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 2.4 – Mô tả vai trò của mã hóa kênh trong OFDM (mã hóa kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số cho truy n dẫn OFDM) Hình 2.4-a và hình 2.4-b cho thấy sự phụ thuộc của. .. là gấp 4 lần băng thông 3G UMTS Tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại UE (User Equipment – thiết bị người sử dụng) Trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và xuống, LTE không hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh đường lên và xuống đồng thời 1.5.2 Thông lượng số liệu : Thông thường đường xuống của LTE sẽ gấp 4 lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên... trợ bởi UTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trên toàn bộ dải tốc độ Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất lượng Vũ Thị Hiền mã số 504102020 18 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong miền chuyển mạch kênh của GERAN 1.5.5.Vùng phủ : LTE hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các... Lõi gói phát triển Ra Gi E - RAN Internet wi Truy nhập IP của WLAN 3GPP PCFR2* Vũ Thị Hiền mã số 504102020 21 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao www.kilobooks.com Hình 1.13 – Kiến trúc mô hình B2 của E – UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Trên mô hình 1.12 các ký hiệu được sử dụng như sau : R1, R2 và R3 là tên các điểm tham khảo + Gx ký hiệu cho Gx phát triển. .. đạt Bảng 1.3 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE và HSUPA Thông số Tốc độ đỉnh (Mbps) Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) HSDPA (R6) LTE 5,7 57 0,26 0,67 Vũ Thị Hiền mã số 504102020 Đích LTE/ yêu cầu 50/ đã đạt 2 ÷ 3 lần HSDPA/ đạt 2,6 17 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao Thông lượng người sử dụng 0,006 www.kilobooks.com 0,015 2 ÷ 3 lần HSDPA/ đạt 2,5 LTE cần hỗ trợ sơ đồ ấn định