Nghiên cứu công nghệ truy cập gói tốc độ cao và ứng dụng vào mạng viettel

Bộ giáo dục Và đào tạo TrƯờng đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sỹ khoa học NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP TỐC ĐỘ CAO VÀ ỨNG DỤNG VÀO MẠNG VIETTEL Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS NGUYỄN THUÝ ANH häc viªn : VŨ HUY TUYỂN Hµ néi - 2010 LỜI CẢM ƠN Trong hai năm cao học học hỏi kiến thức q báu từ thầy, giáo Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi vô biết ơn dạy dỗ, bảo tận tình thầy, thời gian học tập hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới TS Nguyễn Thúy Anh, người định hướng cho nghiên cứu tôi, người trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thiện luận văn Học viên Vũ Huy Tuyển i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thân hướng dẫn TS Nguyễn Thúy Anh Nội dung luận văn không chép luận văn Nếu có sai phạm tơi chịu hồn tồn trách nhiệm Học viên Vũ Huy Tuyển ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………… i LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………… ii MỤC LỤC……………………………………………………………………………….iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………… vii DANH MỤC CÁC BẢNG……………………………………………………… xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ………………………………………….xiii MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….1 Chương TỔNG QUAN MẠNG 3G WCDMA UMTS 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Lộ trình phát triển thơng tin di động lên 4G 1.3 Kiến trúc chung hệ thống thông tin di động 3G 1.4 Các loại chuyển mạch mạng 3G 1.5 Các loại lưu lượng dịch vụ 3G WCDMA UMTS hỗ trợ 10 1.6 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3 13 1.6.1 Thiết bị người sử dụng (UE) 14 1.6.2 Mạng truy nhập vô tuyến UMTS 16 1.6.3 Mạng lõi 17 1.6.4 Các mạng 21 1.6.5 Các giao diện 22 1.7 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 22 1.8 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 R6 25 1.9 Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS 28 1.9.1 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn 28 iii 1.9.2 3GR2 : Tích hợp mạng UMTS GSM 29 1.9.3 GR3 : Kiến trúc RAN thống 30 1.10 Tổng kết 31 Chương GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA WCDMA UMTS 32 2.1 Giới thiệu chung 32 2.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến WCDMA/FDD 33 2.3 Các kênh WCDMA 35 2.3.1 Các kênh logic, LoCH 36 2.3.2 Các kênh truyền tải, TrCH 37 2.3.3 Các kênh vật lý 39 2.3.4 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH truy nhập gói CPCH 45 2.3.5 Thí dụ báo hiệu thiết lập gọi sử dụng kênh logic truyền tải…………………………………………………………………………… 46 2.4 Chuyển giao WCDMA 48 2.4.1 Chuyển giao cứng 48 2.4.2 Chuyển giao mềm/ mềm 48 2.5 Tổng kết 50 Chương TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 52 3.1 Giới thiệu chung 52 3.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng 53 3.3 Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống ( HSDPA ) 55 3.3.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ 55 3.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 57 iv 3.3.3 Điều khiển tốc độ điều chế bậc cao 59 3.3.4 HARQ với kết hợp mềm 61 3.3.5 Kiến trúc 64 3.3.6 HSDPA MIMO 67 3.3.7 Tăng tốc độ đỉnh việc sử dụng MIMO điều chế bậc cao 16QAM/64QAM 69 3.4 Truy cập gói tốc độ cao đường lên ( HSUPA ) 69 3.4.1 Lập biểu 71 3.4.2 HARQ với kết hợp mềm 74 3.4.3 Kiến trúc 74 3.4.4 Các loại đầu cuối HSUPA 79 3.5 Chuyển giao HSDPA 80 3.5.1 Xác định ô tốt chuyển giao 80 3.5.2 Chuyển giao HS-DSCH ô (hay đoạn ô) RNC 81 3.5.3 Chuyển giao HS-DSCH hai ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau………………………………………………………………………… 82 3.5.4 Chuyển giao HS-DSCH sang có DCH 82 3.6 Tổng kết 83 Chương ỨNG DỤNG HSPA TRONG MẠNG VIETTEL 85 4.1 Giới thiệu chung 85 4.2 Cấu trúc mạng 3G Viettel 85 4.3 Mạng truy nhập vô tuyến 88 4.3.1 RNC 89 4.3.2 Node B 90 v 4.3.3 Chức RNC 90 4.3.4 Giao diện giao thức RNC 91 4.4 Triển khai mạng Viettel 95 4.4.1 Mạng truy nhập vô tuyến Ericsson 95 4.4.2 Mạng chuyển mạch gói ( PS Core ) 99 4.5 Cấu hình hệ thống đáp ứng yêu cầu truy nhập HSPA .101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………………104 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………… 105 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2G Second Generation Thế hệ thứ 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 3GPP ird Genaration Partnership Project Đề án đối tác hệ thứ ba ird 3GPP2 Generation Patnership Project Đề án đối tác hệ thứ ba AICH Acquisition Indication Channel Kênh thị bắt AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa điều chế thích ứng AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CC Convolutional Code Mã xoắn CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CD/CAICH: CPCH Collision Detection/ Channel Kênh thị phát va chạm Assignment Indicator Channel CPCH/ấn định kênh CN Core Network Mạng lõi CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh thị trạng thái CPCH DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Kênh điều khiển DL Downlink Đường xuống DPCCH Dedicated Physycal Control ChannelKênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng vii DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống Kênh cho phép tuyệt đối tăng E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel cường E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường EDGE Enhanced Data rates for GPRS Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS EIR Equipment Identity Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng tăng cường E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cường E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel Kênh cho phép tương đối tăng cường FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gian F-DPCH Fractional DPCH DPCH phần (phân đoạn) GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung GSM Global System For Mobile Communications Hệ thống thơng tin di động tịan cấu HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt HHO Hard Handover Chuyên giao cứng HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập hói đường xuống tốc độ cao HSDPCCH High-Speed Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HS- High-Speed Physical Dedicated Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ viii PDSCH Shared Channel cao HSS Home Subsscriber Server Server thuê bao nhà HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HSUPA IMS High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 Thông tin di động quốc tế 2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet IR Incremental Redundancy Phần dư tăng Iu Giao diện sử dụng để thông tin RNC mạng lõi Iub Giao diện sử dụng để thông tin RNC nút B Iur Giao diện sử dụng để thông tin RNC LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động P-CCPCH Primary Common Control Physical Kênh vật lý điều khiển chung sơ Channel cấp PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung PDCP Packet-Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý PHY Physical Layer Lớp vật lý PICH Page Indication Channel Kênh thị tìm gọi PRACH PS Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên) Packet Switch Chuyển mạch gói ix RRM ấn định sử dụng tài ngun giao diện khơng khí (Air interface) , bảo đảm QoS hệ thống , trì vùng phủ sóng tăng dung lượng hệ thống RRM bao gồm: Radio measurement, Admission Control, Load Control, Power Control, Packet Schedule, Handover Control, Dynamic Radio Bearer Control • Truyền liệu người sử dụng: Truyền liệu người sử dụng bao gồm truyền liệu báo hiệu liệu người sử dụng (âm thanh, hình ảnh, video…) Bao gồm chức mã hóa liệu, điều khiển chế Mac-C Mac-hs Cung cấp khả truyền liệu end-to-end cho người sử dụng 4.3.4 Giao diện giao thức RNC Hình 4.5 Các giao diện RNC RNC kết nối tới CN qua giao diện Iu Giao diện Iu chia thành hai phần: IuCS kết nối RNC tới mạng chuyển mạch kênh (MSC Server MGW) IuPS kết nối 91 RNC tới mạng chuyển mạch gói (SGSN) RNC kết nối tới RNC khác thông qua giao diện Iur, RNC với NodeB kết nối thông qua giao diện Iub Hình 4.6 Mơ hình giao thức tổng qt UTRAN Các lớp ngang Kiến trúc giao thức gồm có hai lớp chính: lớp mạng vơ tuyến (Radio Network Layer) lớp truyền tải (Transport Network Layer) Tất vấn đề liên quan đến UTRAN nhìn thấy lớp mạng vơ tuyến , cịn lớp truyền tải có nhiệm vụ mơ tả tiêu chuẩn kỹ thuật truyền tải chọn để sử dụng UTRAN mà không gây thay đổi đặc thù UTRAN Các mặt đứng • Mặt phẳng điều khiển :Phía điều khiển sử dụng cho báo hiệu đặc thù UMTS Nó gồm giao thức ứng dụng (Application protocol) như: RANAP (Radio Access Application Part: phần ứng dụng mạng truy cập) Iu, RNSAP ( Radio Network Subsystem Application Part: phần ứng dụng hệ thống 92 mạng vô tuyến) Iur NBAP (Node B Application Part: phần ứng dụng NodeB) Iub vật mang báo hiệu để truyền tải tin giao thức ứng dụng.Một nhiệm vụ giao thức báo hiệu thiết lập vật mang cho UE (chẳng hạn vật mang truy nhập vô tuyến Iu kết nối vô tuyến Iur Iub) Trong cấu trúc ba mặt, thông số vật mang giao thức ứng dụng không gắn kết trực tiếp đến cơng nghệ phía người sử dụng thơng số mạng chung.Vật mang báo hiệu giao thức ứng dụng khơng thể kiểu vật mang báo hiệu cho ALCAP Nó ln ln thiết lập hoạt động khai thác bảo dưỡng • Mặt phẳng người sử dụng :Mọi thơng tin người sử dụng phát thu như: thoại mã hóa gọi hay gói kết nối Internet để truyền đến phía người sử dụng Phía người sử dụng gồm luồng số liệu vật mang số liệu cho luồng Mỗi luồng số liệu đặc trưng hay nhiều giao thức khung định nghĩa cho giao diện • Mặt phẳng điều khiển mạng truyền tải : Phía điều khiển mạng số liệu sử dụng cho tất báo hiệu lớp truyền tải Nó khơng chứa thơng tin lớp mạng vơ tuyến Nó bao gồm giao thức ALCAP (Access Link Control Application Part: phần ứng dụng điều khiển kết nối truy nhập) để thiết lập vật mang truyền tải (các vật mang số liệu) cho phía người sử dụng Nó chứa vật mang báo hiệu cần cho ALCAP.Phía điều khiển mạng truyền tải mặt hoạt động phía điều khiển phía người sử dụng Việc đưa phía điều khiển mạng truyền tải làm cho giao thức ứng dụng phía điều khiển mạng vơ tuyến hồn tồn độc lập với cơng nghệ chọn lựa cho vật mang số liệu phía người sử dụng.Khi phía điều khiển mạng truyền tải sử dụng, vật mang truyền tải mang số liệu phía người sử dụng thiết lập sau: Trước hết giao dịch giao thức ứng dụng phía điều khiển, giao dịch khởi tạo thiết lập vật mang số liệu giao thức ALCAP đặc thù cho cơng nghệ mặt phẳng người sử dụng.Tính độc lập phía điều 93 khiển phía người sử dụng dựa giả thiết xảy giao dịch ALCAP Cần lưu ý khơng sử dụng ALCAP cho tất kiểu vật mang số liệu Nếu khơng có giao dịch ALCAP hồn tồn khơng cần thiết phía điều khiển mạng truyền tải Đây trường hợp xảy vật mang số liệu lặp lại cấu hình Cũng cần lưu ý giao thức ALCAP phía điều khiển mạng truyền tải không sử dụng để thiết lập vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng hay ALCAP khai thác thời gian thực • Mặt phẳng người sử dụng mạng truyền tải :Các vật mang số liệu phía người sử dụng vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng thuộc phía người sử dụng truyền tải điều khiển trực tiếp phía điều khiển mạng truyền tải khai thác thời gian thực, nhiên hành động điều khiển để thiết lập vật mang báo hiệu cho giao thức ứng dụng coi hành động khai thác bảo dưỡng Cấu trúc giao thức RNC : Các giao thức giao diện cấu trúc giao thức cho hình bên : 94 Hình 4.7 Cấu trúc giao thức RNC 4.4 Triển khai mạng Viettel 4.4.1 Mạng truy nhập vô tuyến Ericsson 4.4.1.1 RNC 3820 Hiện Viettel sử dụng RNC 3820 Ericsson Năng lực xử lí RNC : 95 • Dung lượng Iub : 2Gbps • Số user đồng thời : 27500 • Sơ nút B : 768 • Số cell : 2304 Hình sau mơ tả vị trí phần cứng tủ có chứa subrack subrack mở rộng Hình 4.8 Vị trí phần cứng tủ chứa RNC 3820 RNC bao gồm tủ chứa ba subrack, tích hợp sẵn kết nối theo mơ hình dạng hình Một RNC có subrack hay cịn gọi main subrack – MS đặt phía tủ Dung lượng RNC gia tăng 96 kết nối subrack mở rộng hay gọi external subrack - ES tới subrack Subrack có chứa tất chức RNC Các subrack mở rộng thêm vào tủ với mục đích làm gia tăng dung lượng đường truyền khả kết nối Các ES kết nối tới MS nhờ sử dụng liên kết ln có liên kết dự phịng Q trình xử lý dung lượng RNC cân mối liên hệ với số lượng ES Hình mơ tả kiến trúc phần cứng RNC 3820 : Hình 4.9 Kiến trúc phần cứng RNC 3820 97 4.4.1.2 Nút B 3206 Một tủ RBS 3206 có loại subrack sau: • Digital Subrack (DS): xử lý điều khiển xử lý băng tần sở Digital subrack dựa Cello Platform Tùy thuộc vào chiều rộng subrack mà DS chứa đến 24 board • Radio Subrack: xử lý vô tuyến, chứa Radio Units Chỉ chứa board không chuẩn CPP (non-standard CPP board) • Filter subrack: khuếch đại cơng suất, lọc, chứa Filter Units Chỉ chứa board không chuẩn CPP (non-standard CPP board) Hình 4.10 Cấu trúc phần cứng RBS 3206 Trong hình trình bày sơ đồ khối chức RBS 3206 98 Hình 4.11 Sơ đồ khối chức RBS 3206 4.4.2 Mạng chuyển mạch gói ( PS Core ) Hiện nay, mạng Viettel sử dụng mạng PS core Huwei đáp ứng lưu lượng data đến 20Gbps Hình sau giới thiệu cấu trúc tổng quát giao diện sử dụng mạng PS Core 99 Hình 4.12 Các giao diện hệ thống PS core 100 Hình 4.13 Sơ đồ lưu lượng dịch vụ mobile internet 4.5 Cấu hình hệ thống đáp ứng yêu cầu truy nhập HSPA Tiếp theo tìm hiểu số cấu hình hệ thống đảm bảo cho truy cập HSPA đáp ứng 101 Trên Nút B Ericsson, cần kích hoạt tính cần thiết : • 16QAM • HsdpaFlexiblesScheduler • HsdpaDynamicCodeAllocation Hình 4.14 Cấu hình kích hoạt số tính phục vụ HSPA 102 Tiếp theo cấu hình thơng số đảm bảo chất lượng tốc độ cho user HSPA : • NumEulUsers • NumHsdpaUsers • NumHsPdschCodes Hình 4.15 Cấu hình thông số Nút B 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tóm lại, thơng qua luận văn có nhìn khái quát mạng 3G UMTS WCDMA nói chung cơng nghệ truy cập gói tốc độ cao nói riêng Luận văn đề cập đến ba vấn đề sau : • Giới thiệu chung mạng 3G WCDMA UMTS xu hướng công nghệ năm • Luận văn tập trung vào nghiên cứu cơng nghệ truy nhập gói tốc độ cao cao ( HSPA ), kĩ thuật sử dụng nhằm đảm bảo yêu cầu truy cập tốc độ cao cho đường xuống đường lên • Ứng dụng kĩ thuật mạng Viettel đề cập chi tiết thông qua luận văn Cơng nghệ truy cập gói tốc độ cao ( HSPA ) công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA cịn gọi 3G+ HSPA cơng nghệ truyền dẫn gói phù hợp cho truyền thơng đa phương tiện IP băng rộng Hiện nay, mạng lớn Việt Nam( Viettel, VinaPhone, MobiFone ) triển khai cơng nghệ truy cập gói tốc độ cao Mới đây, Bộ Thông tin Truyền thông đồng ý cho VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC VTC thử nghiệm mạng di động LTE (Long Term Evolution ) Do việc nghiên cứu giải pháp HSPA LTE hay 4G việc cần thiết, giúp cho việc lựa chọn cơng nghệ nhà cung cấp dịch vụ cách đắn hiệu cao 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ericsson (2003), Ericsson WCDMA System Overview Harri Holma and Antti Toskala (2004), WCDMA for UMITS, John Wiley & Sons Ltd, England Harri Holma and Antti Toskala (2006), HSDPA/HSUPA for UMITS, John Wiley & Sons Ltd, England Harri Holma and Antti Toskala (2007), WCDMA for UMITS – HSPA evolution and LTE, John Wiley & Sons Ltd, England Qualcomm (2008), WCDMA ( UMITS) HSDPA: Protocols and Physical Layer, U.S.A TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình “Lộ trình phát triển thơng tin di động 3G lên 4G”, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 12/2008 105 ... hướng công nghệ năm • Tập trung vào nghiên cứu cơng nghệ truy nhập gói tốc độ cao cao ( HSPA ), kĩ thuật sử dụng nhằm đảm bảo yêu cầu truy cập tốc độ cao cho đường xuống đường lên • Ứng dụng kĩ... lên • Ứng dụng kĩ thuật mạng Viettel Nội dung luận văn bao gồm : Mở đầu: Giới thiệu chung công nghệ truy cập gói tốc độ cao, vấn đề nghiên cứu luận văn Chương 1: Nghiên cứu tổng quan q trình phát... đưa vào hoạt động lần vào năm 2005, tính đến cuối năm 2006 có 19 nhà cung cấp 66 sản phẩm ứng dụng công nghệ HSDPA, có 32 sản phẩm điện thoại di động.Với cải tiến mang tính đột phá, HSDPA công nghệ