Đánh giá hiệu năng trong mạng hspa (tt)

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ MẠNG HSPA 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HSPA HSPA (High-Speed Packet Access) công nghệ truyền dẫn không dây di động, gồm hai giao thức HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HPUSA (High Speed Uplink Packet Access) Mục tiêu HSPA mở rộng giao diện vô tuyến WCDMA, tăng cường hiệu dung lượng (tốc độ số liệu đỉnh cao) WCDMA Để đạt mục tiêu này, HSPA sử dụng số kĩ thuật như: điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh HARQ với kết hợp mềm… 1.2 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG HSDPA 1.2.1 Các đặc điểm HSDPA HSDPA thiết kế để tăng bâng thơng gói liệu đường xuống cách truyền dẫn lại nhanh lớp vật lý ( Lớp 1), lập biểu lớp B, phát lặp lại nhanh thích ứng đường truyền lớp vật lý Hình 1.4: Nguyên lý lập biểu HSDPA Node B [4] 1.3.2 Kênh truyền tải kênh vật lý điều khiển đường xuống a High-Speed downlink shared channel: Kênh HS-DSCH kênh truyền tải mà tải liệu người dùng HSDPA Kênh truyền kênh lý HS-PDSCH Trong kênh HS-DSCH sử dụng thích ứng đường truyền nhờ cách chọn tổ hợp mã định kênh, mã hóa kênh điều chế thích hợp Hỗ trợ điều chế biên độ 16QAM Node B lập biểu cho người sử dụng (ấn định tài nguyên vô tuyến) khoảng thời gian 2ms, thông báo lập biểu nhanh thực lớp vật lý b High-Speed shared control channel (HS-SCCH): HS-SCCH tải thông tin báo hiệu mà cho phép thiết bị đầu cuối giải điều chế mã xác Kênh HS-SCCH dùng hệ số trải phổ 128 cho 40 bit/khe để mang thông tin (dùng điều chế QPSK) c Kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao (HS-DPCCH): Hoạt động HSDPA cần thông tin hồi tiếp vật lý đường lên (từ thiết bị đầu cuối đến trạm gốc) phép thích ứng đường truyền truyền dẫn lại lớp vật lý Thông tin hồi tiếp đường lên mang kênh HS-DPCCH d Kênh DPCH phần (Fractional Dedicated Physical Channel): dùng để tối ưu hóa tốc độ liệu đường xuống cho dịch vụ liệu gói 1.3 TRUY CẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN HSUPA 1.3.1 Các đặc điểm HSUPA Cũng HSDPA, nhằm để tăng tốc độ đường lên, node B có sử dụng HARQ, chế lập biểu truyền dẫn đa mã Sự khác biệt hệ thống HSUPA thật chất kênh truyền tải đường lên E-DCH Kênh truyền tải E-DCH hỗ trợ lập biểu nhanh node B, HARQ nhanh lớp vật lý với Incremental Redundancy tùy chọn khoảng cách thời gian truyền dẫn ngắn TTI 2ms Khơng giống HSDPA, HSUPA khơng có kênh chia sẻ, kênh riêng, cấu trúc kênh E-DCH giống kênh DCH Release 99 lập biểu HARQ nhanh 1.3.2 Kênh truyền tải kênh báo hiệu vật lý a Kênh truyền tải E-DCH: HSUPA có kênh truyền tải đường lên E-DCH, mà hỗ trợ đặc điểm tăng cường so với kênh truyền tải đường lên Release 99 Xử lý kênh truyền tải đường lên E-DCH giống xử lý kênh truyền tải DCH b Kênh liệu vật lý riêng E-DCH: E-DPDCH kênh vật lý đường riêng dùng để truyền dẫn bit từ di động đến trạm gốc Nó kênh tồn song song với số kênh vật lý đường lên (DPDCH DPCCH dùng truyền dẫn liệu đường lên HS-DPCCH dùng để chuyển thông tin hồi tiếp HSDPA) c.Kênh điều khiển vật lý riêng E-DCH: E-DPCCH kênh vật lý đường lên dùng để truyền thông tin kênh truyền dẫn E-DPDCH từ di động đến BTS d Kênh thị HARQ E-DCH (E-HICH): Kênh E-HICH kênh đường xuống dùng để truyền thông tin HARQ e E-DCH relative grant channel (E-RGCH): Kênh cho phép tương đối E-RGCH kênh vật lý đường xuống cho truyền dẫn lập biểu mà ảnh hưởng công suất truyền dẫn tương đối, UE dùng truyền dẫn liệu (E-DPDCH) f E-DCH absolute grant channel (E-AGCH): E-AGCH kênh vật lý đường xuống mang thông tin truyền dẫn giá trị tuyệt đối định lập biểu node B 1.4 MỘT SỐ DỊCH VỤ ĐANG TRIỂN KHAI TRÊN MẠNG HSPA 1.4.1 Các loại hình dịch vụ mạng HSPA Các người sử dụng dịch vụ chuyển mạch kênh đảm bảo tốc độ số liệu cố định Chất lượng dịch vụ ngữ cảnh dịch vụ thoại thoại có hình định nghĩa chất lượng tiếng hình theo thụ cảm Để đạt tính mềm dẻo, khả cho nhiều loại hình dịch vụ HSPA có được: o Tốc độ bit liệu cao: lên đến tối đa 14.4 Mbps 3GPP Release lên đến 28.8 Mbps Release o Độ trễ RTT thấp 100ms Relese 5, chí Release có 50ms o Cho chất lượng dịch vụ QoS ngày cao o Cung cấp dịch vụ thoại số liệu tức thời o Có khả tồn song song với mạng GSM mạng GPRS Một số dịch vụ triển khai mạng HSPA như:  Dịch vụ thoại AMR, video (CS)  Messaging  Music download game  Mobile-TV streaming  Chia sẻ video thời gian thực  Push – to – talk  Push e-mail  Chơi game online  Mobile weblog  Truy cập băng rộng không dây 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG HSDPA bắt đầu nghiên cứu vào năm 2000, nhằm cải thiện tốc độ truyền dẫn liệu đường xuống so với đặc tả Release 99 Các vấn đề để cải thiện truyền dẫn lớp vật lý lập biểu BTS nghiên cứu điều chế mã hóa thích ứng Chủ yếu kênh HS-DSCH kết hợp với vật lý điều khiển báo hiệu HS-SCCH, HS-DPCCH, F-DPCH….làm tăng tốc độ truyền dẫn đường xuống Cùng với loại thiết bị hỗ trợ cho hoạt động HSDPA Còn HSUPA, chủ yếu nói đến kênh E-DCH Được nghiên cứu sau hoàn thành xong chuẩn HSDPA, bắt đầu nghiên cứu vào tháng năm 2002 Các kĩ thuật cải tiến HSUPA bao gồm như: yêu cầu phát lại lớp vật lý cho đường lên, lập biểu đường lên nút B, có chiều dài truyền dẫn TTI ngắn hơn, điều chế bậc cao hơn, mà tùy thuộc vào loại thiết bị hỗ trợ cho HSUPA Nhờ tiến làm tăng tốc độ hiệu HSPA nói rõ giải pháp nâng cao hiệu chương CHƯƠNG - GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HSPA 2.1 CÁC GIẢI PHÁP CHO HSDPA a Lập biểu phụ thuộc kênh Một nguyên lý sở HSDPA lập biểu phụ thuộc kênh Bộ lập biểu MAC-hs điều khiển việc sử dụng phần mã chia sẻ tài nguyên công suất cho người sử dụng TTI cho trước Đây phần tử quan trọng phần tử định mức độ lớn tổng hiệu hệ thống HSDPA, đặc biệt mạng có tải lớn Khi tải thấp, có một người sử dụng lập biểu khác biệt chiến lược lập biểu khác không rõ ràng Nguyên lý lập biểu cho hình 1.4 Mặc dù 3GPP không đặc tả việc thực lập biểu, mục đích tổng thể hầu hết lập biểu lợi dụng thay đổi kênh người sử dụng lập biểu truyền dẫn ưu tiên cho người sử dụng có điều kiện kênh tốt Như thể hình 2.1 Hình 2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh HSDPA [4] b Thích ứng đường truyền Thích ứng đường truyền động hoạt động với kênh HS-DSCH 2ms Ngoài ra, định lập biểu, lớp MAC-hs BTS định 2ms mà kết hợp với điều chế mã hóa để truyền dẫn Thích ứng đường truyền dựa thông tin CQI lớp vật lý cung cấp thiết bị đầu cuối Hình 2.2: Chế độ thích ứng đường truyền [4] c HARQ với kết hợp mềm Chức HARQ đặc tả lớp MAC-hs lớp vật lý Vì MAC-hs đặt nút B, nên khối truyền tải bị mắc lỗi phát lại nhanh HARQ với kết hợp mềm chia thành loại : Chase Combining Incremental Redundancy, phụ thuộc vào việc có địi hỏi phát lại tương tự lần phát lại ban đầu hay không (hay phát phần dư tăng) Chase combining: thực với việc phát lại tập bit mã hóa giống lần truyền Sau lần phát lại máy thu sử dụng kết hợp tỉ lệ cực kết hợp bit thu với bit lần truyền dẫn trước tín hiệu sau kết hợp đưa đến giải mã Hình 2.4: Thí dụ chase combining [8] Incremental Redundancy: lần phát lại khơng giống lần phát Thay vào đó, nhiều tập bit mã hóa thành tập mang thông tin Mỗi cần phát lại, phát lại sử dụng tập bit mã hóa khác với lần trước Máy thu kết hợp với phát lại với lần phát trước gói Sau chúng bổ sung cho lần phát lại trước nên giảm tỉ lệ lỗi sau lần phát Hình 2.5: Thí dụ Incremental Redundancy [8] d Điều chế bậc cao Trong trường hợp UE có tỉ số tín hiệu nhiễu cao, điều chế bậc cao hữu dụng trường hợp e Kỹ thuật đa anten Các kĩ thuật đa anten sử dụng để cải thiện hiệu hệ thống bao gồm: cải thiện dung lượng hệ thống vùng phủ cung cấp dịch vụ tốt tốc độ số liệu người sử dụng cao Các kĩ thuật bao gồm sử dụng nhiều anten máy phát máy thu 2.2 CÁC GIẢI PHÁP CHO HSUPA a Lập biểu Đối với HSUPA, lập biểu phần tử then chốt để điều khiển tốc độ số liệu UE phép phát Đầu cuối sử dụng tốc độ cao, cơng suất thu từ đầu cuối nút B phải cao để đảm bảo tỷ số Eb/N0 cần thiết cho giải điều chế Bằng cách tăng cơng suất phát, UE phát tốc độ số liệu cao mức quy định Trong HSDPA, thông thường người sử dụng xử lý TTI Đối với HSUPA, hầu hết trường hợp chiến lược lập biểu đường lên đặc thù thực lập biểu đồng thời cho nhiều người sử dụng Lý đầu cuối có công suất nhỏ nhiều so với công suất nút B Ơ phục vụ Ơ khơng phục vụ Ch ỉ th ịq uá tải o Ch ầu ối u c ng đ ê Y ươ pt é ph p op h C Cho phép tuyệt đối ệt i đố Các cho phép tương đối Yêu cầu Hình 2.6: Tổng quan hoạt động lập biểu [4] Nhiễu cần điều khiển Thậm chí lập biểu cho phép UE phát tốc độ số liệu cao sở mức nhiễu nội chấp nhận được, gây nhiễu không chấp nhận ô lân cận Vì chuyển giao mềm, phục vụ chịu trách nhiệm cho hoạt động lập biểu, UE giám sát thông tin lập biểu từ tất ô mà UE nằm chuyển giao mềm Các ô không phục vụ yêu cầu tất người sử dụng không phục vụ hạ tốc độ số liệu E-DCH cách phát thị tải đường xuống Cơ chế đảm bảo hoạt động ổn định cho mạng Lập biểu nhanh cung cấp chiến lược cho phép kết nối mềm dẻo Vì chế lập biểu cho phép xử lý tình trạng nhiều người sử dụng cần phát đồng thời, nên số người sử dụng số liệu gói tốc độ cao mang tin cụm cho phép lớn Nếu điều gây mức nhiễu cao chấp nhận hệ thống, lập biểu phản ứng nhanh chóng để hạn chế tốc độ số liệu mà UE sử dụng Khơng có lập biểu nhanh, điều khiển cho phép chậm trễ phải dành dự trữ nhiễu hệ thống trường hợp nhiều người sử dụng hoạt động đồng thời b HARQ với kết hợp mềm HARQ nhanh với kết hợp mềm HSUPA sử dụng với mục đích giống HSDPA: để đảm bảo tính bền vững chống lại sai lỗi truyền dẫn ngẫu nhiên Sơ đồ sử dụng giống HSDPA Đối với khối truyền tải phát đường lên, bit phát từ nút B đến UE để thông báo giải mã thành công (ACK) hay yêu cầu phát lại khối truyền tải thu bị mắc lỗi (NACK) HARQ với kết hợp mềm khai thác khơng để đảm bảo tính bền vững chống lại nhiễu khơng dự đốn mà cải thiện hiệu suất đường truyền để tăng dung lượng vùng phủ 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG WCDMA Release 99 cung cấp tốc độ liệu cực đại 384 kbps đường xuống Trong HSDPA tốc độ liệu đỉnh lên đến 1.8 3.6 Mbps lên đến 10 Mbps Để đạt kết này, HSDPA sử dụng truyền dẫn lại lớp vật lý, thích ứng đường truyền, tăng độ dư thừa Tốc độ liệu cực đại đạt tùy thuộc vào loại UE có khả khác HSDPA giảm độ trễ mạng so với kênh DCH WCDMA Release 99 Việc tính toán đo đạc RTT trung bình 100 ms với HSDPA đường xuống kênh DCH Release 99 đường lên Với HSUPA đường lên RTT đạt 50 ms Cịn HSUPA, WCDMA Release 99, tốc độ liệu cực đại đường lên 384 kbps đó, HSUPA đạt tốc độ liệu lên đến 1-2 Mbps có lên đến 3-5 Mbps Tốc độ liệu cao HSUPA đạt điều chế bậc cao Cũng giống HSDPA, HSUPA sử dụng truyền dẫn lại lớp với HARQ lập biểu node B nhanh Nhờ kĩ thuật truyền lại nhanh làm giảm độ trễ đáng kể so với kênh DCH Release 99 CHƯƠNG -ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HSPA 3.1 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MẠNG HSPA  Tỉ lệ lỗi bit (BER) số lượng bit lỗi chia cho tổng số lượng bit truyền suốt kênh truyền BER phương pháp đo hiệu năng, thường tính dạng phần trăm [7]  FER (Frame Error Rate) tham số đánh giá hiệu HSPA Một frame lỗi định nghĩa frame nhận mà dị tìm có bit lỗi (mã lỗi kiểm tra mã vòng dư CRC)  So sánh tốc độ liệu HSDPA có sử dụng cơng nghệ truyền dẫn lại nhanh thích ứng đường truyền với tốc độ liệu chuẩn Shannon  Thơng lượng trung bình: Tổng số liệu trung bình từ tất người dùng mộ mà thu suốt tổng thời gian  Thông lượng gọi 10%: thông lượng người dùng bị tổn thất 10%  Eb/N0 : công suất yêu cầu lượng 1bit thơng tin tạp âm để có tốc độ bit đảm bảo với xác xuất lỗi khối  Ec/N0: Yêu cầu lượng chip tạp âm để đảm bảo tốc độ bit với xác xuất lỗi khối  Và ngồi cịn có nhiều tiêu chí khác Tuy nhiên, luận văn tập trung vào mô tỉ lệ lỗi bit (BER) truyền qua kênh vô tuyến chịu ảnh hưởng nhiều Rayleigh AWGN 3.2 CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3.2.1 Mô tả Luận văn tập trung đánh giá kết chất lượng mạng hiệu truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Chủ yếu hiệu link kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) Thông qua tham số khả điều chế, mã hóa Turbo, số lượng frame truyền thơng qua môi trường AWGN hay bị nhiễu kênh reileigh Chương trình mơ đưa khả dung lượng kênh HSDPA môi trường lý thuyết Các tham số đánh giá yêu cầu hiệu HSDPA định nghĩa [5] Trong chương trình mơ tập trung đánh giá hiệu liên kết đơn kênh HS-DSCH với lược độ mã hóa điều chế có sẵn Trong [5] với kênh test định nghĩa đánh dấu từ H-SET1 đến H-SET6 Với K_info tải thông tin truyền thông qua TTI Vậy kênh tham khảo cố định từ H_SET1 đến H_SET5, ta có sơ đồ đóng gói bit thơng tin sau: Hình 3.2: Sơ đồ đóng gói tin [5] Chương trình mơ đồ án viết sử dụng ngôn ngữ Matlab, file giao diện dạng fig (mỗi modul giao diện hệ thống file) hàm file dạng m Hình 3.3 trình bày mơ hình hệ thống dùng chương trình luận văn Trong phạm vi nghiên cứu sinh, em đơn giả hệ thống, bao gồm số thành phần 10 Hình 3.3: Mơ hình mơ hệ thống Với giao diện chương trình sau: Hình 3.4: Giao diện chương trình 11 Hình 3.5: Giao diện chạy chương trình 3.2.2 Các thuật tốn chương trình mơ Sơ đồ thuật tốn số phần sử dụng chương trình mơ phỏng: 12 Hình 3.6: Khởi tạo liệu người dùng Hình 3.7: Trộn với mã giả ngẫu nhiên 13 Sơ đồ thuật tốn: Hình 3.9: Ảnh hưởng nhiễu Rayleigh AWGN 3.2.4 Kết mơ Hình 3.10: Kết mơ với H-SET = 14 Chương trình chạy với H_SET = 1, sử dụng điều chế QPSK Với tỉ lệ Eb/N0 cho trước chạy từ – 30 dB Với chương trình chạy 10 frame, chiều dài bit liệu đầu vào 3226 Chịu ảnh hưởng kênh Rayleigh cộng với nhiễu tạp âm trắng AWGN Với giá trị Eb/N0 tăng dần ứng với tín hiệu tốt tỉ lệ lỗi bit ngày giảm đồ thị kết mơ hình 3.10 3.2.5 Kết luận Thơng qua chương trình mơ phỏng, chương trình xây dựng liên kết link HSDPA từ bit đầu vào cho tín hiệu đầu Đánh giá tỉ lệ lỗi bit thông qua kênh truyền AGWN với kênh nhiễu Rayleigh KẾT LUẬN Luận văn gồm có ba chương: chương I giới thiệu kiến trúc tổng quan mạng truy nhập gói tốc độ cao HSPA, kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA HSUPA cho số liệu người sử dụng, với đặc điểm HSDPA HSUPA với kênh truyền tải kênh vật lý mang đặc điểm khác với WCDMA Release 99; Chương II: chương II tập trung đưa giải pháp nâng cao hiệu công nghệ HSPA lập biểu phụ thuộc kênh, chế độ thích ứng đường truyền, phát lặp lại nhanh …; Chương III: chương cuối đưa tiêu chí đánh giá, tập trung vào mô liên kế link kênh HSDPA môi trường kênh bị nhiễu phadinh Rayleigh AWGN Nội dung luận văn sâu vào hiệu HSPA, khả sử dụng loại hình dịch vụ di động mạng HSPA, cụ thể đánh giá hiệu HSDPA HSUPA, dịch vụ thơng thường gói thoại Tuy nhiên, thời gian khả nghiên cứu có hạn luận văn đánh giá nghiên cứu phần hiệu HSPA, mà chưa xét đến thông số điều khiển tài nguyên vô tuyến, chuẩn cụ thể dịch vụ, chưa xét đến hiệu toàn mạng lõi HSPA Khi đánh giá liên kết link kênh HSDPA, luận văn chưa đánh giá hiệu việc sử dụng HARQ việc sử dụng kênh truyền HSDPA KIẾN NGHỊ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong luận văn, học viên giới thiệu công nghệ HSPA mô liên kết link hệ thống HSDPA Hiệu đo tỉ lệ lỗi bit Do vậy, luận văn khơng thiếu thiếu sót hướng nghiên cứu định theo đuổi:  Trong chương trình có sử dụng mã hóa turbo code luận văn lại không sâu vào mã hóa turbo code Đánh giá hiệu việc sử dụng mã hóa Turbo cơng nghệ HSPA Hướng nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiệu giải mã SOVA MAP mã hóa Turbo 15  Do tính phức tạp thuật tốn HARQ, AMC, lập biểu gói, chức khơng nằm chương trình mơ  Trong mơ liên kết link mô mô hướng xuống HSDPA mà chưa đánh giá link HSUPA Hướng nghiên cứu tạo link mơ hồn chỉnh đường lên đường xuống mạng HSPA  Hiện công nghệ LTE, mạng 4G triển khai nghiên cứu Đều phát triển dựa số cơng nghệ HSPA Chính nghiên cứu cơng nghệ HSPA làm tiền đề để nghiên cứu công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2010), Lộ trình phát triển 3G lên 4G HSPA/LTE, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Lý thuyết trải phổ đa truy nhập, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng [4] Harri Holma Antti Toskala (2006), HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speed Raido Access for Mobile Communications, John Wiley & Sons [5] 3GPP Technical Specification TS 25.104 (2010), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) [6] H Harada R Prasad (2002), Simulation and Software Raido for Mobile Communications, Artech House [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate [8] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold Per Beming (2007), 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, Elsevier [9] http://www.iterativesolutions.com/Matlab.htm 16 ... 99 CHƯƠNG -ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HSPA 3.1 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MẠNG HSPA  Tỉ lệ lỗi bit (BER) số lượng bit lỗi chia cho tổng số lượng bit truyền suốt kênh truyền BER phương pháp đo hiệu năng, thường... phần hiệu HSPA, mà chưa xét đến thông số điều khiển tài nguyên vô tuyến, chuẩn cụ thể dịch vụ, chưa xét đến hiệu toàn mạng lõi HSPA Khi đánh giá liên kết link kênh HSDPA, luận văn chưa đánh giá hiệu. .. vào hiệu HSPA, khả sử dụng loại hình dịch vụ di động mạng HSPA, cụ thể đánh giá hiệu HSDPA HSUPA, dịch vụ thơng thường gói thoại Tuy nhiên, thời gian khả nghiên cứu có hạn luận văn đánh giá nghiên