Bài giảng môn Thông tin di động: Giao diện vô tuyến của WCDMA UMTS và HSPA - Nguyễn Viết Đảm với mục đích giúp sinh viên hiểu giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD; hiểu được sơ đồ kênh vật lý; hiểu được cấu trúc khung kênh DPCH; hiểu được điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục lớp vật lý;...
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG MỤC ĐÍCH Hiểu giao diện vơ tuyến của WCDMA/FDD Hiểu được sơ đồ kênh vật lý Hiểu được cấu trúc khung kênh DPCH Hiểu được điều khiển tài nguyên vô tuyến và các thủ tục lớp vật lý Hiểu được giao diện vô tuyến HSPA Hiểu được các kỹ thuât phân tập phát NỘI DUNG Kiến trúc hệ thống 3G UMTS Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD Các kênh của WCDMA/FDD Sơ đồ kênh vật lý WCDMA/FDD Sơ đồ trải phổ định kênh, ngẫu nhiên hóa và điều chế Cấu trúc khung DPCH Điều khiển tài ngun vơ tuyến và các thủ tục lớp vật lý Truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) Các kỹ thuật phân tập phát KIẾN TRÚC GSM NSS BSS E Abis PSTN A PSTN B BSC MS BTS C MSC VLR D SS7 H HLR AuC BSS — Base Station System NSS — Network Sub-System BTS — Base Transceiver Station MSC — Mobile-service Switching Controller BSC — Base Station Controller VLR — Visitor Location Register MS — Mobile Station HLR — Home Location Register AuC — Authentication Server GMSC — Gateway MSC GMSC GSM — Global System for Mobile communication KIẾN TRÚC 2,5G 2G MS (voice only) NSS BSS E Abis PSTN A PSTN B BSC MS C MSC BTS Gs VLR GMSC D SS7 H Gb 2G+ MS (voice & data) Gr HLR AuC Gc Gn SGSN Gi IP PSDN GGSN BSS — Base Station System NSS — Network Sub-System SGSN — Serving GPRS Support Node BTS — Base Transceiver Station MSC — Mobile-service Switching Controller GGSN — Gateway GPRS Support Node BSC — Base Station Controller VLR — Visitor Location Register HLR — Home Location Register AuC — Authentication Server GMSC — Gateway MSC GPRS — General Packet Radio Service KIẾN TRÚC 3G UMTS (R99) — 3G Radios 2G MS (voice only) CN BSS E Abis PSTN A PSTN B BSC Gb BTS C MSC Gs GMSC D VLR SS7 H 2G+ MS (voice & data) IuCS RNS Gr HLR ATM Iub IuPS RNC AuC Gc Gn SGSN Gi IP PSDN GGSN Node B 3G UE (voice & data) BSS — Base Station System CN — Core Network SGSN — Serving GPRS Support Node BTS — Base Transceiver Station MSC — Mobile-service Switching Controller GGSN — Gateway GPRS Support Node BSC — Base Station Controller VLR — Visitor Location Register HLR — Home Location Register RNS — Radio Network System AuC — Authentication Server RNC — Radio Network Controller GMSC — Gateway MSC UMTS — Universal Mobile Telecommunication System KIẾN TRÚC 3G UMTS (R4)— Soft Switching 2G MS (voice only) CN CS-MGW A Abis Nc Mc BSC Gb BTS CS-MGW Nb BSS PSTN B C MSC Server Gs PSTN Mc GMSC server D VLR SS7 H 2G+ MS (voice & data) IuCS RNS Gr HLR ATM Iub IuPS RNC AuC IP/ATM Gc Gn SGSN Gi PSDN GGSN Node B 3G UE (voice & data) BSS — Base Station System CN — Core Network SGSN — Serving GPRS Support Node BTS — Base Transceiver Station MSC — Mobile-service Switching Controller GGSN — Gateway GPRS Support Node BSC — Base Station Controller VLR — Visitor Location Register MGW- Media Gateway HLR — Home Location Register RNS — Radio Network System AuC — Authentication Server RNC — Radio Network Controller GMSC — Gateway MSC 4.2. MỞ ĐẦU WCDMA UMTS ? là một trong các tiêu chuẩn của IMT2000 nhằm phát triển GSM để cung cấp các khả năng cho thế hệ ba. Mạng lõi được phát triển từ GSM/GPRS bằng cách nâng cấp các phần tử của GSM/GPRS như: MSC, HLR, SGSN, GGSN, hỗ trợ đồng thời WCDMA và GSM Sử dụng mạng đa truy nhập vô tuyến trên cơ sở W CDMA/FDD & WCDMA/TDD, chúng đều dùng DSCDMA với tốc độ chip Rc=3,84Mcps WCDMA/FDD: Độ rộng băng tần kênh : 5 MHz Khoảng cách song công : 190 MHz Băng tần đường lên : 1920 MHz1980 MHz Băng tần đường xuống : 2110 MHz2170 MHz. Có thể chọn độ rộng băng từ 4,4 MHz5 MHz với nấc tăng là 200 KHz Chọn độ rộng băng hợp lý tránh được nhiễu giao thoa đặc biệt khi khối 5 MHz tiếp theo thuộc nhà khai thác khác 4.2. MỞ ĐẦU WCDMA/TDD: Sử dụng dải 19001920 MHz và 2010 MHz2025 MHz Giao diện vơ tuyến của WCDMA hồn tồn khác với GSM/GPRS => Hạn chế khả năng tái sử dụng BTS và BSC của GSM Giao diện vô tuyến của WCDMA/FDD được xây dựng trên ba kiểu kênh: Kênh logic, được hình thành trên cơ sở đóng gói thơng tin từ lớp cao trước khi sắp xếp vào kênh truyền tải Kênh truyền tải, nhiều kênh truyền tải được ghép vào kênh vật lý Kênh vật lý, được xây dựng trên công nghệ đa truy nhập CDMA kết hợp với FDMA/FDD. Mỗi kênh vật lý được đặc trưng bởi: một cặp tần số, một mã trải phổ và mã ngẫu nhiên, góc pha (với đường lên) 4.2. MỞ ĐẦU Thơng số cơ bản của WCDMA Phương pháp đa truy nhập Phương pháp song công DSCDMA FDD/TDD Đồng bộ trạm gốc BS Tốc độ chip Cận đồng bộ 3,84 Mcps Độ dài khung Ghép dịch vụ 10 ms Đa dịch vụ với các yêu cầu QoS khác nhau được ghép trên một kết nối Hệ số trải phổ khá biến và đa mã Nhất quán dùng ký hiệu hoa tiêu hoặc hoa tiêu chung Được hỗ trợ bởi tiêu chuẩn mang tính tùy chọn Khái niệm đa tốc độ Tách sóng Tách sóng đa người dùng, anten thơng minh 4.2. MỞ ĐẦU Khác nhau cơ bản giữa giao diện vơ tuyến của WCDMA và GSM WCDMA GSM Khoảng cách sóng mang 5 MHz 200 kHz Hệ số tái sử dụng tần số 1 1–18 Tần suất điều khiển công 1500 Hz suất 2 Hz hoặc thấp hơn Điều khiển chất lượng Giải thuật quản lý tài Quy hoạch mạng (quy hoạch tần số) nguyên vô tuyến Phân tập tần số Độ rộng băng tần 5 MHz mang lại phân tập đa Nhẩy tần đường với máy thu Rake Lập lịch gói dựa vừo tải Lập lịch dựa vào khe thời gian với GPRS Dữ liệu gói Phân tập phát đường xuống Được hỗ trợ để cải thiện Khơng được hỗ trợ dung lượng đường xuống bởi tiêu chuẩn, nhưng có thể được áp dụng 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) HSDPA + Tăng thơng lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các cơng nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và tích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B. + So sánh các tính năng của kênh WCDMA DCH (viết tắt DCH) và HSPA DSCH (viết tắt DS DSCH), + Ngun lý hoạt động của HSDPA và các kênh của HSDPA. + Xét kênh HSDSCH và mã định kênh của nó 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) So sánh tính năng kênh DCH và HS DSCH: M So sánh tính năng kênh DCH và HS DSCH: ột số điểm khác nhau giữa WCDMA và HSDPA: WCDMA sử dụng các kênh: (1) FACH để truyền các gói nhỏ; (2) DCH và DSCH để truyền số liệu gói, trong đó DCH là kênh chính còn DSCH để truyền các gói có tốc độ cao hơn HSPA thực chất thay thế kênh WCDMA DSCH bằng kênh HSDPA DSCH (trong R5 vẫn còn sử dụng WCDMA DSCH nhưng trong R6 kênh này khơng còn được sử dụng nữa). + Trong R5, kênh DCH ln đi cùng với kênh HSDPA DSCH. Nếu số liệu khơng được truyền thì DCH là kênh mang vô tuyến báo hiệu (SRB: Signalling Radio Bearer). Trong trường hợp d ịch v ụ chuy ển m ạch kênh (AMR hoặc video) được truyền song song với số liệu PS, thì dịch vụ CS được mang trên kênh này. + Trong R6 báo hiệu có thể được truyền trên kênh FDCH (Fractional DCH: DCH một phần). Trong R5, số liệu người sử dụng đường lên ln được truyền trên DCH (khi HSDPA tích cực), trong khi đó R6 sử dụng EDCH (Enhanced DCH: DCH tăng cường) cho HSUPA. Bảng so sánh các tính năng kênh DCH và HS DSCH 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Nút B Đầu cuối Các kênh cần cho hoạt động HSDPA trong R5 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) So sánh các tính năng kênh DCH và HSDSCH Tính năng DCH HSDSCH Hệ số trải phổ khả biến Khơng khơng Điều khiển cơng suất nhanh có khơng Điều chế và mã hóa thích ứng khơng có Khai thác nhiều mã có Phát lại lớp vật lý khơng có, được mở rộng có Thích ứng đường truyền và lập biểu theo khơng BTS có 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Ngun lý hoạt động HSDPA: Hoạt động của HSDPA dựa trên việc sử dụng thích ứng đường truyền, lập biểu nhanh và phát lại nhanh lớp vật lý. Tất cả các phương pháp này đều nhằm tăng dung lượng đường xuống. Nó khơng hỗ trợ chuyển giao mềm và điều khiển cơng suất như DCH. 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Hồi tiếp L1 Lập biểu nhanh Nút B dựa trên : 1. Hồi tiếp chất lượng 2. Khả năng UE 3. Khả dụng tài nguyên 4. Trạng thái bộ đệm 5. QoS và mức ưu tiên Số liệu Đầu cuối Hồi tiếp L1 Số liệu Đầu cuối Nguyên lý lập biểu của nút B HSDPA Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng máy di động HSDPA dựa trên hồi tiếp lớp vật lý nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được thưc hiện nhanh tùy thuộc vào giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng. 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Gói cần phát được nạp vào bộ đệm của nút B, trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia EU thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo RNC: (1) chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (VD lỗi báo hiệu); (2) sử dụng chế độ báo nhận RLC, phát lại RLC khơng thường xun xẩy ra. Báo nhận RLC Gói vào đệm Phát lại Phát gói lần đầu Từ chối Kết hợp phát lại Đầu cuối Ngun lý xử lý phát lại của nút B 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Các kênh cho hoạt động của HSDPA: Đối với R5 xem hình: HSDSCH (Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang số liệu gói tốc độ cao HSSCCH (Kênh điều khiển chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang thông tin về số mã trải phổ và phương pháp điều chế được sử dụng cho đầu cuối để đầu cuối có thể giải trải phổ và giải điều chế đúng HSDPCCH (Kênh điều khiển vật lý dành riêng đường lên tốc độ cao): Mang thông tin hồi tiếp để BTS có thể thích ứng đường truyền và phát lại Kênh DCH (DPDCH/DPCCH) đường lên: Giống như WCDMA Đối với R6: Bổ sung thêm kênh đường lên FDCH (kênh DCH một đoạn): Chỉ mang thông tin về điều khiển cơng suất cho đường lên cho trường hợp chỉ truyền số liệu gói 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Sơ đồ kênh vật lý HS DSCH: lý số kênh vật lý HS DSCH Bổ sung CRC Ngẫu nhiên hóa Sơ đồ phần xử Phân đoạn kênh vật lý Đan xen Đan xen Phân đoạn khối mã Sắp xếp điểm ký hiệu 16QAM Mã hóa kênh Trải phổ hai mức Chức năng HARQ HSPDSCH Sơ đồ phần xử lý tín hiệu số kênh HS DSCH 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Hoạt động của sơ đồ như sau: Luồng số đầu vào (dài 2ms) được mã hóa khối tuyến tính để gắn thêm các bit CRC Ngẫu nhiên hóa để tránh các dẫy ký hiệu khơng đổi Phân đoạn mã để đưa lên bộ mã hóa kênh Mã hóa Turbo để đạt được hiệu năng chống lỗi cao Chức năng HARQ (Hybride Automatic Repeat Request: u cầu phát lại tự động linh hoạt) cho phép phát lại tự độngPhân đoạn cho kênh vật lý Đan xen để tránh lỗi cụm do phađinh Sắp xếp ký hiệu điều chế 16QAM Trải phổ hai mức 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Các bit hệ thống Tách bit Các bit chẵn lẻ Phối hợp tốc độ thứ Chức năng HARQ gồm hai tầng phối hợp tốc độ để điều chỉnh các phiên bản dư của các lần phát lại khác nhau khi sử dụng các phát lại không giống nhau. Bộ đệm IR Phối hợp thứ hai Đến phân đoạn kênh vật lý Phương pháp phát lại ở HARQ: Phát lại như nhau được gọi là "kết hợp mềm" (Chase hay Soft Combining), các phát lại đều giống nhau và giống phát lần đầu Phát lại khác được gọi là "kết hợp phần dư tăng", chỉ phát lại phần dư (chẵn lẻ) với số bit tăng 4.10. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Phát lại như nhau được gọi là "kết hợp mềm: Chase hay Soft Combining ", các phát lại đều giống nhau và giống phát lần đầu Bộ mã hóa turbo Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ Phối hợp tốc độ (chích bỏ) Phát lại Phát lần thứ Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ Kết hợp mềm (tại máy thu ) Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ HARQ kết hợp mềm 4.10. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Phát lại khác nhau được gọi là "kết hợp phần dư tăng", chỉ phát lại phần dư (chẵn lẻ) với số bit tăng Bộ mã hóa Turbo Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ Phối hợp tốc độ (chích bỏ) Phát lần thứ Phát lại Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ Kết hợp phần dư tăng (tại máy thu Hệ thống chẵn lẻ Chẵn lẻ HARQ kết hợp phần dư tăng 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Mã định kênh HSDSCH có thể sử dụng nhiều mã OVSF với hệ số trải phổ 16. Về mặt lý thuyết số mã cực đại trong một cây mã là 16, nhưng các kênh chung và các kênh DCH cũng cần mã vì thế thường chỉ sử dụng tối đa 15 mã . Việc sử dụng bao nhiêu mã trong thời gian 2ms phụ thuộc vào khả năng của máy đầu cuối. Trong hệ thống có thể có lưu lượng khác cần sử dụng mã chẳng hạn thoại hay video CS. Khi này quản lý tài nguyên vô tuyến sẽ quyết định khơng gian mã khả dụng cho bộ lập biểu tại BTS. Về mặt ngun lý có thể sử dụng khơng gian mã lớn hơn bằng cách sử dụng các mã ngẫu nhiên hóa thứ cấp, nhưng vì chúng khơng trực giao với các mã có thuộc mã ngẫu nhiên sơ cấp, nên tổng dung lượng không tăng. Các tốc độ bit lý thuyết cực đại cho các TFRC (Transport Format and Resource Combining) khác nhau được cho trong bảng 4.7 4.10. TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) Bảng 4.7. Tốc độ bit lý thuyết với 15 mã cho các TFRC khác nhau TFRC Điều chế Tỷ lệ mã Thơng lượng cực đại (Mbps) QPSK 1/4 1,8 QPSK 2/4 3,6 QPSK 3/4 5,3 16QAM 2/4 7,2 16QAM 3/4 10,7 ... Hiểu được giao diện vô tuyến HSPA Hiểu được các kỹ thuât phân tập phát NỘI DUNG Kiến trúc hệ thống 3G UMTS Kiến trúc giao diện vô tuyến của WCDMA/ FDD Các kênh của WCDMA/ FDD Sơ đồ kênh vật lý WCDMA/ FDD... Hiểu giao diện vơ tuyến của WCDMA/ FDD Hiểu được sơ đồ kênh vật lý Hiểu được cấu trúc khung kênh DPCH Hiểu được điều khiển tài ngun vơ tuyến và các thủ tục lớp vật lý Hiểu được giao diện vô tuyến HSPA. .. 4.3.KINTRCGIAODINVễTUYNWCDMA/FDD KintrỳcgiaothccagiaodinvụtuynWCDMA/FDD 4.3.KINTRCGIAODINVễTUYNWCDMA/FDD Giaodinvụtuyncphõnthnh3lpgiaothc: Lớp vật lý (L1): + Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện vơ