ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO (HSDPA)

NHẬN XÉT CỦA GVHD : Trang CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Khoa Điện tử -Viễn thông _ Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Em tên là: Phạm Văn Đông Hiện học lớp 06ĐT3 - Khoa: Điện tử - Viễn thông – Trường: Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Em xin cam đoan: Những nội dung đồ án em thực hướng dẫn trực tiếp GV-TS Phạm Văn Tuấn - Khoa Điện tử Viễn Thông - Đại học Bách Khoa Đà nẵng Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian địa điểm cơng bố Mọi chép khơng hợp lệ em xin chịu trách nhiệm hồn toàn trước nhà trường Đà Nẵng, ngày 24 tháng 05 năm 2011 Sinh viên thực Phạm Văn Đông MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GVHD : .1 LỜI CAM ĐOAN Trang MỤC LỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 11 1.1 Giới thiệu chương 11 1.2 Các tiêu chuẩn xây dựng mạng 3G 11 1.3 Kiến trúc 3G UMTS 11 1.3.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 12 1.3.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 13 1.3.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 15 1.4 Kết luận chương 15 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO HSDPA 16 2.1 Giới thiệu chương 16 2.2 Giới thiệu công nghệ HSDPA .16 2.3 Nguyên lý cấu trúc HSDPA 18 2.3.1 Nguyên lý 18 2.3.2 Cấu trúc kênh HSDPA 19 2.4 Các kỹ thuật dùng HSDPA 22 2.4.1 Điều chế mã hóa thích ứng (AMC) 22 2.4.2 Lập biểu phụ thuộc kênh .23 2.4.2.1 Tổng quan lập biểu 23 2.4.2.2 Các kiểu lập biểu khác 24 2.4.3 Yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) với kết hợp mềm 27 2.4.3.1 Tổng quan HARQ 27 2.4.3.2 Phân loại HARQ với kết hợp mềm 28 2.5 Chỉ số chất lượng đường truyền CQI .29 2.6 Mã turbo 31 2.6.1 Tổng quan mã hóa Turbo 31 Trang 2.6.2 Thuật toán giải mã SOVA .40 2.6.2.1 Nguyên lý giải mã Viterbi ngõ mềm 40 2.6.2.2 Độ tin cậy giải mã SOVA tổng quát 41 2.6.2.3 Sơ đồ khối giải mã SOVA 45 2.6.2.4 Bộ giải mã SOVA lặp 46 2.7 Kết luận chương 48 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG MỘT SỐ KHỐI TRONG MƠ HÌNH HSDPA 50 3.1 Giới thiệu chương 50 3.2 Mơ hình HSDPA 50 3.3 Mô lập biểu kênh truyền HS-DSCH 54 3.3.1 Giới thiệu công cụ mô 54 3.3.1.1 Network Simulator - (NS-2) 54 3.3.1.2 Module Eurane 56 3.3.1.3 Network Analyzer for Network Simulator ( Nans) 56 3.3.2 Các tham số phục vụ q trình mơ .57 3.3.3 Q trình mơ 59 3.3.3.2 Thực mô 61 3.3.3.3 Vẽ đồ thị 64 3.3.3.4 Nhận xét .67 3.4 Mô mã Turbo 68 3.4.1 Gới thiệu .68 3.4.2 Chương trình mơ 68 3.4.2.1 Lưu đồ thuật tốn tính tỉ lệ lỗi bit tỉ lệ lỗi khung 68 3.4.2.2 Kết mô với lần thực khác 70 3.4.2.2.1 Thông số đầu vào 70 3.4.2.2.2 Kết mô 70 3.4.3 Nhận xét 77 3.4.4 Kết luận chương 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 79 Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT 1G : First Generation 2G : Second Generatipn Trang 3G : Third Generation 3GPP : 3rd Generation Partnership Project 16QAM : 16 Quadrature Amplitude Modulation 64QAM : 64 Quadrature Amplitude Modulation ACK : Acknowledge AMC : Adaptive Modulation and Coding ARQ : Automatic Repeat request AuC : Authentication Center BER : Bit Error Rate BPSK : Binary Phase Shift Keying BSC : Base Station Controller CDMA : Code Division Multiple Access CN : Core Network CQI : Channel Quality Indication CS : Channel Switching DPCH : Dedicated Physical Channel DPCCH : Dedicated Physical Control Channel DPDCH : Dedicated Physical Data Channel EDGE : Enhanced Data Rates for GSM Evolution EIR : Equipment Identity Register EURANE : Enhanced UMTS Radio Access Network Extension FDD : Frequency Division Multiple Access FER : Frame Error Rate GGSN : Gateway GPRS Support Node GMSC : Gate Mobile Switch Center GPRS : General Packet Radio Service GSM : Global System for Mobile Communications H-ARQ : Hybrid Automatic Repeat request HCCC : Hybrid Concatenated Convolutional Code Trang HE : Home Environment HLR : Home Location Register HS-DPCCH : High-Speed Dedicated Physical Control CHannel HS-DSCH : High-Speed Downlink Shared Channel HS-PDSCH : High-Speed Physical Downlink Shared Channel HS-SCCH : High-speed Shared Control Channel HSDPA : High-speed Downlink Packet Access IP : Internet Protocol ITU : Internation Telecommunication Union MAC : Medium Access Control MAC-hs : High-speed MAC MEGACO : Media Gateway Control MGW : Media Gateway ML : Maximum likelihood MS : Mobile Station MSC : Mobile Switch Center PCCC : Serial Concatenated Convolutional Code PCM : Pusle Code Modulation PLMN : Public Land Mobile Network PSTN : Public Switching Telephone Network PN : Pseudo Noise PS : Packet Switching QAM : Quadrature Amplitude Modulation QoS : Quality of Service QPSK : Quadrature Phase Shift Keying RLC : Radio Link Control RNC : Radio Network Control RNS : Radio Network System RSC : Recursive Systematic Convolutional Code Trang RTP : Real Time Transport Protocol SAW : Stop And Wait SCCC : Serial Concatenated Convolutional Code SGSN : Serving GPRS Support Node SN : Serving Network SOVA : Soft Output Viterbi Algorithm TD : Time Division Duplexing TTI : Transmission Time Interval UTRAN : Universal Terrestrial Radio Access Network UMTS : Universal Mobile Telecommunication System USIM : UMTS Subscriber Identity Module WCDMA : Wideband Code Division Multiple Aceess VA : Viterbi Algorithm VLR : Visitor Location Register Trang MỞ ĐẦU Ngày thông tin di động trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh phục vụ người hữu hiệu Với nhu cầu sử dụng di động ngày cao chất lượng dịch vụ, thông tin di động không ngừng cải tiến, phát triển nhằm mục đích triển khai hệ thống thơng tin di động tiên tiến tương lai Thông tin di động trải qua nhiều hệ Xuất phát từ hệ thứ (1G), tiếp đến 2G với GSM CDMA điển hình phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng cho thấy rõ hạn chế dung lượng băng thông hệ thống thông tin di động hệ hai Sự đời hệ thống di động hệ ba tất yếu, theo hướng cung cấp dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày tăng đa dạng người sử dụng Mặc dù hệ thống 3G có cải tiến mạnh với hệ thống di động trước đây, nhiên có nhược điểm, hệ thống truy cập gói tốc độ cao đường xuống HSDPA đời nhằm mang lại tính mà hệ thống trước chưa có Trong nội dung đồ án này, em vào nghiên cứu cấu trúc khía cạnh kỹ thuật cơng nghệ HSDPA ứng dụng vào mạng di động hệ thứ 3G, tập trung mô để làm sáng tỏ xử lý lập biểu ảnh hưởng đến tổng hiệu hệ thống chất lượng dịch vụ cung cấp cho người dùng, tập trung nghiêu cứu mã Turbo để thấy ưu điểm việc sửa lỗi truyền liệu HSDPA Đồ án thực nhóm sinh viên gồm: • Phạm Văn Đơng 06DT3 • Nguyễn Văn Linh 06DT3 Bố cục đồ án gồm chương với nội dung: • Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động hệ 3G Giới thiệu tổng quát kiến trúc mạng W-CDMA • Chương 2: Cơng nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Trang Trình bày thay đổi cấu trúc, kỹ thuật hệ thống HSDPA so với W-CDMA nhằm nâng cao tốc độ đường truyền xuống kênh HS-DSCH Trình bày mã Turbo để thấy tính mã Turbo việc giải mã sửa lỗi • Chương 3: Mô số khối mô hình HSDPA Mơ kỹ thuật lập biểu gói kênh truyền HS-DSCH sử dụng NETWORK SIMULATION Mô mã Turbo sử dụng Matlab Để thực đồ án, nhóm phân chia nội dung cơng việc sau: • Phạm Văn Đơng: Tìm hiểu tổng quan 3G, HSDPA, tìm hiểu mơ mã Turbo • Nguyễn Văn Linh: Tìm hiểu ngun lí cấu trúc HSDPA, tìm hiểu kỹ thuật HSDPA Mơ kỹ thuật lập biểu gói kênh truyền HS-DSCH Trang 10 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA  Xét lập biểu quay vòng Hình 3.4: kết kiểu lập biểu xoay vòng Thơng lượng trung bình UE : - UE1 : 6,672Mbps - UE2 : 2,896 Mbps - UE3 : 3,296Mbps - UE4 : 1,989Mbps Trang 66 Chương 3: Mơ số khối mơ hình HSDPA  Xét lập biểu cơng tỉ lệ Hình 3.5: kết kiểu lập biểu công tỉ lệ Thông lượng trung bình UE : - UE1 : 6,700Mbps - UE2 : 4,298 Mbps - UE3 : 3,552Mbps - UE4 : 2,984Mbps 3.3.3.4 Nhận xét Từ UE1 đến UE4 có tốc độ di chuyển tăng dần ứng với mơi trường khác truyền liệu gói.Ta thấy thông lượng UE nhận giảm dần tốc độ di chuyển tăng dần hay nói cách khác thông lượng giảm dần điều kiện Trang 67 Chương 3: Mô số khối mô hình HSDPA kênh truyền xấu dần ( UE nhận liệu đảm bảo tỉ lệ BLER trình bày ) Xét thơng lượng UE nhận có quan tâm đến kỹ thuật lập biểu khác :  Lập biểu dựa tỷ số tín hiệu nhiễu cực đại : thơng lượng trung bình nhận UE chênh lệch qua lớn, không đảm bảo yêu cầu công chất lượng dịch vụ cung cấp  Lập biểu quay vòng : thơng lượng trung bình nhận UE chênh lệch hơn, đảm bảo tính cơng user mặt trái lại làm giảm tổng hiệu hệ thống  Lập biểu công tỉ lệ : đảm bảo tính cơng user tổng hiệu hệ thống 3.4 Mô mã Turbo 3.4.1 Gới thiệu Mục trình bày mơ mã Turbo PCCC với tốc độ 1/2 1/3 tuỳ theo lựa chọn kỹ thuật xố khơng Thuật tốn giải mã Turbo chọn thuật tốn SOVA Chạy chương trình với thơng số đầu vào khác kích thướt khung, kỹ thuật xóa, số lần lặp khung, số khung bị lỗi để kết thúc tí số lượng nhiễu để có kết cuối tỉ lệ lỗi bit(BER) tỉ lệ lỗi khung(FER) từ có nhận xét mã Turbo 3.4.2 Chương trình mơ 3.4.2.1 Lưu đồ thuật tốn tính tỉ lệ lỗi bit và tỉ lệ lỗi khung Trang 68 Chương 3: Mơ số khối mơ hình HSDPA Bắt Đầu Chọn kích thước khung Chọn kỹ thuật xố hay khơng Chọn số lần lặp khung Chọn số khung lôĩ để kết thúc Chọn tỷ lệ lượng Mã hoá Cộng nhiễu Gauss Giải mã TC Đếm lỗi Đúng Đếm lỗi < giới hạn Sai lỗi Hiển thị BER Hiển thị FER Kết thúc Trang 69 Chương 3: Mơ số khối mơ hình HSDPA 3.4.2.2 Kết quả mô với lần thực khác Chạy chương trình main.m với thơng số đầu vào sau: 3.4.2.2.1 Thông số đầu vào Lần Lần Lần Lần Lần Lần Lần 300 300 300 300 300 1000 1500 Kỹ thuật xóa Có Có Khơng Khơng Có Khơng Có Số lần lặp 5 5 5 5 5 2 2.5 2.5 2.5 2.5 Kích thướt khung khung Số khung bị lỗi để kết thúc Eb/No(dB) 3.4.2.2.2 Kết quả mô Lần ******************Eb/N0 = 2.00 db****************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/2 13 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 5): 3.0976e-002 1.2648e-002 6.7114e-003 4.1301e-003 3.3557e-003 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 5): 9.2308e-001 5.3846e-001 3.8462e-001 3.8462e-001 3.8462e-001 Lần ****************** Eb/N0 = 2.00 db****************** Trang 70 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA Kich thuoc khung = 300, rate 1/2 33 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 8): 2.9388e-002 1.5863e-002 9.1519e-003 7.1182e-003 5.4912e-003 4.8810e-003 4.6776e-003 3.7625e-003 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 8): 8.1818e-001 3.6364e-001 3.0303e-001 2.7273e-001 2.1212e-001 1.5152e-001 1.5152e-001 1.5152e-001 Lần ****************** Eb/N0 = 2.00 db ***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/3 165 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 5): 2.1944e-002 2.9693e-003 1.5253e-003 1.2406e-003 8.3384e-004 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 5): 7.8788e-001 2.0606e-001 6.6667e-002 5.4545e-002 3.0303e-002 Lần *******************Eb/N0 = 2.50 db***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/3 Trang 71 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA 525 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 5): 1.0093e-002 1.0355e-003 3.5794e-004 2.1093e-004 9.5877e-005 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 5): 5.6000e-001 7.8095e-002 3.2381e-002 1.5238e-002 9.5238e-003 Lần ****************** Eb/N0 = 2.50 db ***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/2 69 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 5): 1.2450e-002 3.5502e-003 1.5563e-003 1.5563e-003 1.1672e-003 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 5): 6.5217e-001 1.7391e-001 8.6957e-002 8.6957e-002 7.2464e-002 Lần ****************** Eb/N0 = 2.50 db ***************** Kich thuoc khung = 1000, rate 1/3 979 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 5): Trang 72 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA 8.7724e-003 2.9477e-004 5.4245e-005 3.0705e-005 1.7399e-005 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 5): 9.1420e-001 8.7845e-002 1.9408e-002 1.1236e-002 5.1073e-003 Lần **************** Eb/N0 = 2.50 db ****************** Kich thuoc khung = 1500, rate 1/2 309 Khung da trao doi , Khung bi loi Ti le loi bit (Tu lan lap cho den 7): 1.3023e-002 1.2249e-003 3.2406e-004 1.5987e-004 7.5613e-005 5.8330e-005 4.3208e-005 Ti le loi khung (Tu lan lap cho den 7): 1.0000e+000 3.7217e-001 1.0680e-001 3.2362e-002 2.5890e-002 1.6181e-002 9.7087e-003 Sau chạy file Ve_do_thi.m ta kết quả: Trang 73 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA Hình 3.6: Kết lần Hình 3.7: Kết lần Trang 74 Chương 3: Mô số khối mô hình HSDPA Hình 3.8: Kết lần Hình 3.9: Kết lần Trang 75 Chương 3: Mô số khối mơ hình HSDPA Hình 3.10: Kết lần Hình 3.11: Kết lần Trang 76 Chương 3: Mô số khối mô hình HSDPA Hình 3.12: Kết lần 3.4.3 Nhận xét  Số lần lặp khung lớn tỷ lệ lỗi bit tỷ lệ lỗi khung giảm Điều sau thông tin chia giải mã có nhiều thơng tin ngõ vào đưa định xác Tuy nhiên số lần lặp lớn mức độ giảm lại nhỏ lại, tức mã Turbo đạt đến ngưỡng sau vài lần lặp Điều sau lần lặp giải mã lấy gần hết thơng tin ngõ vào không cho ngõ nhiều giá trị biến đổi lần lặp Nếu số lần lặp vượt qua ngưỡng lần lặp sau không đem đến thông tin khác đến giải mã  Khi khơng dùng kỹ thuật xóa tỷ lệ lỗi bit thấp so với dùng kỹ thuật xóa Điều hợp lí khơng dùng kỹ thuật xóa tương ứng với bit thơng tin đầu vào có nhiều bit parity chẵn lẻ hơn, điều làm giảm khả mắc lỗi giải mã Trang 77 Chương 3: Mơ số khối mơ hình HSDPA 3.4.4 Kết luận chương  Chương trình bày mơ để thấy thông lượng UE ứng với xử lý lập biểu khác nhau, qua ta thấy hiệu HSDPA việc thích ứng với điều kiện đường truyền khác để cung cấp tốc độ liệu phù hợp cho UE Chương mơ mã Turbo để tính lỗi bit lỗi khung Qua ta nhận thấy hiệu mã Turbo việc sửa lỗi giảm lỗi sai Trang 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đồ án trình bày tổng quan hệ thống thơng tin di động Từ giới thiệu cơng nghệ HSDPA phát triển dựa công nghệ W-CDMA sử dụng kỹ thuật điều chế mã hóa thích ứng, HARQ, lập lịch gói phụ thuộc kênh Từ ta nhận thấy hiệu HSDPA việc thích ứng với điều kiện đường truyền để cung cấp cho UE tốc độ phù hợp, thấy ưu điểm vượt trội tốc độ thơng lượng HSDPA Đề tài tìm hiểu mã Turbo, mô để thấy rõ hiệu mã Turbo việc giảm khả mắc lỗi trình giải mã Tuy nhiên đồ án vào mô số module hệ thống HSDPA chưa mơ tồn hệ thống HSDPA, ta chưa thấy hết hiệu cải tiến HSDPA so với hệ thống trước Hướng phát triển đề tài: tiếp tục sâu vào nghiên cứu hệ thống HSDPA, mơ tồn hệ thống HSDPA để thấy rõ hiệu hệ thống Tìm hiểu kỹ thuật MIMO, điều chế bậc cao 64QAM…để thấy rõ bước tiến dài trình phát triển từ HSDPA sang hệ Trang 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] KS Bùi Văn Phú, KS Phạm Vĩnh Hòa, KS Nguyễn Huy Quân, KS Phạm Bảo Sơn, “Hệ thống truy nhập vô tuyến 3.5G với công nghệ HSDPA”, hội nghị nghiên cứu khoa học lần thứ VI, Học viện cơng nghệ Bưu Viễn thông [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động hệ thứ ba”, Học Viện Công nghệ Bưu Viễn Thơng, Nhà xuất Bưu Điện, 2004 [3] TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình “Thơng tin di động”, Học viện cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 7/2007 [4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold and Per Beming “3G Evolution – HSPA and LTE for Mobile Broadband”, Elsevier Ltd, 2007 [5] EURANE Enhanced UMTS Radio Acess Network Extensions for NS-2 User Guide ( Release 1.6 ) [6] Fu-hua Huang, “Evaluation of Soft Output Decoding for Turbo Codes”, 1997 [7] Frank Brouwer, Irene de Bruin ,JoãoCarlosSilva, Nuno Souto FranciscoCercas, Américo Correia “Usage of Link-Level Performance Indicators for HSDPA Network-Level Simulations in E-UMTS ” ISSTA 2004,SydneyAustralia , 30/8-2/9/2004 [8] Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation Mobile Communications Third Edition”, John Wiley & Sons, Ltd 2004 [9] Harri Holma and Antti Toskala, “HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speech Radio Access for Mobile Communications”, John Wiley & Sons, Ltd 2006 [10] Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA FOR UMTS - HSPA EVOLUTION AND LTE, Fourth Edition”, John Wiley & Sons, Ltd 2007 [11] Seacorn Deliverable D3.2v2 End to End Network Model for Enhanced UMTS Một số trang web tham khảo: [12] http://eurane.ti-wmc.nl/eurane/ [13] http://sourceforge.net/projects/nsnam/files/ [14] www.3GPP.org Trang 80 ... chia sẻ đường xuống tốc độ cao) : Mang số liệu gói tốc độ cao Trang 19 Chương 2: Cơng nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA  HS-SCCH (Kênh điều khiển chia sẻ đường xuống tốc độ cao) : Mang... 10Mbps Trang 16 Chương 2: Công nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA HSDPA cơng nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao, giải pháp mang tính đột phá mặt cơng nghệ phát triển sở hệ thống... Chương 2: Công nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ TRUY CẬP GĨI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO HSDPA 2.1 Giới thiệu chương Chương trình bày vấn đề sau:  Giới thiệu công nghệ