Công nghệ WCDMA và phiên bản HSPA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ WCDMA VÀ PHIÊN BẢN HSPA ĐÀM VĂN CƯỜNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60520203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐĂNG TIẾN HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đàm Văn Cường LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn tơi nhận nhiều động viên, giúp đỡ nhiều cá nhân tập thể Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Đăng Tiến hướng dẫn tơi thực luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy cô giáo, người đem lại cho kiến thức bổ trợ, vơ có ích năm học vừa qua Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học Viện Đại học Mở Hà Nội tạo điều kiện cho tơi q trình học tập Cuối xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khuyến khích tơi q trình thực luận văn Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2014 Đàm Văn Cường MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Q TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .3 1.1.1 Hệ thống thông tin di dộng hệ 1.1.2 Hệ thống thông tin di dộng hệ 1.2.1.1 Hệ thống GSM 1.2.1.2 Hệ thống IS - 95 (Interim Standard 95) hay CDMA one 1.1.3 Hệ thống thông tin di động thứ 1.1.4 Hệ thống thông tin di động thứ 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP 10 1.2.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 10 1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 11 1.2.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 12 1.3 KẾT LUẬN 13 CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS (WCDMA) 14 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 14 2.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG UMTS 15 2.2.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống UMTS R3 (Phiên thứ 3) 15 2.2.2 Thiết bị người sử dụng UE 18 2.2.3 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 19 2.2.3.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC 19 2.2.3.2 Nút B (Trạm gốc) 20 2.2.4 Cấu trúc mạng lõi 21 2.2.4.1 MSC/VLR 21 2.2.4.2 GMSC (MSC cổng) 21 2.2.4.3 Môi trường nhà 22 2.2.4.4 SGSN (Nút hỗ trợ GPRS phục vụ) 23 2.2.4.5 GGSN (Node cổng hỗ trợ GPRS) 24 2.2.5 Các giao diện mở UMTS 24 2.2.6 Các phiên khác hệ thống UMTS 26 2.2.6.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 26 2.2.6.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 R6 27 2.3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 28 2.3.1 Kiến trúc giao diện vô tuyến WCDMA 28 2.3.2 Các kênh vô tuyến giao diện vô tuyến 30 2.3.4.1 Các kênh logic, LoCH 31 2.3.4.2 Các kênh truyền tải, TrCH 32 2.3.4.3 Các kênh vật lý 32 2.3.4.4 Cấu trúc kênh vật lý riêng 34 2.4 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ SỐ VÀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ Ở HỆ THỐNG WCDMA 36 2.4.1 Kỹ thuật trải phổ đa truy cập phân chia theo mã hệ thống WCDMA 36 2.4.1.1 Kỹ thuật trải phổ 36 2.4.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập CDMA 38 2.4.2 Mã hoá trải phổ 39 2.4.3 Trải phổ điều chế đường lên 40 2.4.3.1 Trải phổ điều chế kênh riêng đường lên 40 2.4.3.2 Trải phổ điều chế kênh chung đường lên PRACH .43 2.4.4 Trải phổ điều chế đường xuống 44 2.4.4.1 Sơ đồ trải phổ điều chế đường xuống 44 2.4.4.2 Các mã trải phổ đường xuống 45 2.4.4.3 Các mã ngẫu nhiên hóa đường xuống 45 2.4.5 Phân tập đa đường 46 2.4.6 Phương pháp song công 48 2.4.7 Bộ mã hoá tiếng đa tốc độ thích ứng ARM CODEC cho WCDMA 48 2.4.8 Điều khiển công suất chuyển giao quản lý tài nguyên vô tuyến .49 2.4.8.1 Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến hệ thống WCDMA 49 2.4.8.2 Điều khiển công suất 50 2.4.8.3 Chuyển giao 53 2.5 KẾT LUẬN 59 CHƯƠNG 3: CƠNG NGHỆ 3.5G, HSPA TRUY NHẬP GĨI TỐC ĐỘ CAO 60 3.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ 3.5G 60 3.2 KIẾN TRÚC MẠNG HSPA 62 3.3 GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA CHO SỐ LIỆU NGƯỜI DÙNG 63 3.4 NGUYÊN LÝ HSDPA 67 3.4.1 Cấu trúc hoạt động kênh HSDPA 68 3.4.2 Khe thời gian truyền dẫn TTI 73 3.4.3 Truyền dẫn kênh chia sẻ 73 3.4.4 Mã hóa điều chế thích nghi AMC (Adaptive Modulation and Coding) 78 3.4.4.1 Mã hóa kênh HS-DSCH 78 3.4.4.2 Điều chế HS-DSCH 79 3.4.5 Lập biểu phụ thuộc kênh 81 3.4.6 HARQ với kết hợp mềm 84 3.4.7 Tính di động HSDPA 89 3.4.7.1 Sự kiện đo cho cell HS-DSCH phục vụ tốt .89 3.4.7.2 Chuyển giao HS-DSCH ô (hay đoạn ô) RNC 91 3.4.7.3 Chuyển giao HS-DSCH đến HS-DSCH nút B 92 3.4.7.4 Chuyển giao HS-DSCH sang có DCH 93 3.5 NGUYÊN LÝ HSUPA 95 3.5.1 Cấu trúc hoạt đông kênh HSUPA 96 3.5.2 Tiến trình lớp vật lý 103 3.5.2.1 HARQ 103 3.5.2.2 HARQ chuyển giao mềm 105 3.5.3 Lập biểu 106 3.5.4 Chuyển giao mềm 109 3.6 KẾT LUẬN 111 KẾT LUẬN CHUNG 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2G Seco 3G Thir 3GPP 3GPP2 AICH Acq AMC Ada AMR Ada ARQ Aut AP-AICH Acc ird ird Cha ATM Asy BCCH Bro BCH Bro BPSK Bina BS Bas BTS Bas CC Con CDMA Cod CD/CA- CPC ICH: Ass CN Cor CPCH Com CPICH Com CQI Cha CRC Cyc CS Circ CSICH CPC DCCH Ded DCH Ded DL Dow DPCCH Ded DPCH Ded DPDCH Ded DRX Disc DSCH Dow DSSS Dire E-AGCH Enh E-DCH Enh EDGE Enh Evo EIR Equ E-DPCCH Enh E-DPDCH Enh E-RGCH Enh FACH Forw FDD Freq F-DPCH Frac GERAN GSM GGSN Gate GPRS Gen GSM Glo Com HARQ Hyb HHO Har HLR Hom HSDPA Hig HS- Hig DPCCH Cha HS-DSCH Hig HSPA Hig HS-PDSCH Hig Cha HSS Hom HS-SCCH Hig HSUPA Hig IMS IP M IMT-2000 Inte Tele IP Inte IPv4 IP v IPv6 IP v IR Incr Iu Giao Iub Giao Iur Giao LTE Lon MAC Med MIMO Mul MMS Mul MSC Mob NodeB Nút OVSF Orth PAPR Peak P-CCPCH Prim Cha PCH Pag PCPCH Phy PDCP Pack PDSCH Phy PHY Phy PICH Pag PRACH Phy PS Pack PSTN Pub QAM Qua tuyệt đối tỉ đối đường xuống Việc lựa chọn ETFC chuyển đổi công suất tuyệt đối tối đa cho phép thành định dạng truyền dẫn Lập biểu HSUPA chuyển giao mềm Trong HSUPA, chuyển giao mềm đường lên tác động đến hoạt động lập biểu Trong HSDPA gửi liệu từ trạm gốc, HSUPA trạm gốc mà tập tích cực E-DCH nhận truyền dẫn từ đầu cuối Do đó, trạm gốc tác động truyền dẫn tăng nhiễu, thấy máy thu trạm gốc Ngay nhiều trạm gốc nhận liệu, có trạm gốc hoạt động mà cell EDCH phục vụ Cell E-DCH phục vụ sử dụng tất phương pháp lập biểu có thể, có nghĩa bao gồm phụ cấp tuyệt đối tỉ đối Những trạm gốc khác phần tập tích cực sử dụng phụ cấp tuyệt đối gửi lệnh “hold” “down” (Chỉ hình vẽ) Hình 40 Lập biểu nút B điều khiển tỉ lệ công suất E-DPDCH tới DPCCH lớn cho phép 108 Hình 3.41 Lập biểu HSUPA chuyển giao mềm Hoạt động chuyển giao mềm cell phần tập tích cực E-DCH nên xem phần chế kiểm soát tải cho hệ thống Khi lệnh đường xuống gửi riêng lẻ tiêu thụ nguồn tài nguyên, hệ thống cấu hình đầu cuối liên tiếp để tuân theo thứ tự tương tự từ cell HSUPA không phục vụ Điều cho phép phí tổn điều khiển tín hiệu nhỏ Thiết bị đầu cuối tăng tốc độ liệu lệnh lên từ cell HSUPA phục vụ khơng có lệnh xuống từ cell khác tập tích cực E-DCH 3.5.4 Chuyển giao mềm HSUPA hoạt động chuyển giao mềm, nhiên chế hoạt động khác so với Release 99 DCH Đối với HSUPA tập tích cực sử dụng khác so với tập tích cực DCH Release 99 Trong Release 99 việc điều khiển công suất đảm bảo vấn đề gần xa, bù nhiễu cell, điều khiển công suất phát thu cho UE trạm gốc Nhưng với HSUPA, liệu đường lên không giống vậy, lập biểu chức HARQ khơng yêu cầu để thực với nhiều trạm gốc trường hợp Re’99 DCH Các yêu cầu kỹ thuật 3GPP thiết bị đầu cuối xử lý với vài cell, lớn cell, cho hoạt động HSUPA Ví dụ hình vẽ Các tập tích cực khác hình Nếu tập tích cực bao gồm trạm gốc mà HSUPA không hoạt động, có kênh DPCCH 109 nhận tất trạm gốc tập tích cực DCH có trạm gốc phục vụ HSUPA thực lập biểu hoạt động HARQ, xử lý lệnh lập biểu hồi tiếp HARQ cho đa cell Nếu tích cực cần lớn trạm gốc cho mục đích điều cơng suất, việc thêm cell hoạt động giống Release 99 không làm hoạt động lập biểu HARQ Điều cho phép tổng số kênh tín hiệu thêm vào thiết bị đầu cuối tuân theo giới hạn chuyển giao mềm Tất cell tích cực E-DCH phải hoạt động tốt tập tích cực DCH, tích cực DCH bao gồm cell khơng thuộc tập tích cực E-DCH có ích cho mạng Việc thay đổi cell phục vụ E-DCH dựa vào tiêu giống thay đổi cell phục vụ HSDPA Với kiện đo, điều chỉnh Release phép báo cáo thay đổi đến cell phục vụ tốt Sẽ khơng có ngun nhân cell E-DCH phục vụ không giống với cell HSDPA phục vụ điều yêu cầu đặc điểm kỹ thuật.Mạng cấu hình cho hoạt động đường lên đường xuống UE HSDPA khơng sử dụng kiện đường xuống HSUPA sử dụng đường lên Từ điểm dung lượng đâu cuối nhìn thiết bị HSUPA địi hỏi để hỗ trợ HSDPA Một kiện đo lường 1J sử dụng cho đo lường tích cực Hình 3.42 Tập tích cực DCH E-DCH 110 Bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ SRNC thực chuyển giao mềm hai Node B Thiết bị người dùng UE nhận tín hiệu ACK/NACK từ hai Node B Khi UE thu tín hiệu báo nhận ACK từ Node B, UE nhận biết ý nghĩa tín hiệu dừng trình xử lý tái truyền dẫn Trong trường hợp truyền dẫn liệu mới, UE đăng ký chuỗi số tái truyền dẫn RSN gửi thông báo việc nhận liệu Sau nhận liệu mới, Node B xóa hết liệu cũ lưu đệm Bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ SRNC định cell phục vụ loạt cell trạng thái tích cực định cell cho Node B UE Node B với cell phục vụ xác định thực gửi tín hiệu AG RG tới UE, Node B khác gửi tín hiệu RG tới UE thị báo tải nhằm tránh gây nhiễu cho UE Hình 3.43 Quá trình xử lý chuyển giao mềm hai Node B 3.6 KẾT LUẬN HSPA, Cơng nghệ truy nhập gói tốc độ cao, tập giao thức thông tin di động bao gồm chuẩn HSDPA HSUPA thiết lập HSDPA, cơng nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao, bước tiến nhằm nâng cao tốc độ khả mạng di động tế bào hệ thứ UMTS, gọi hệ di động 3.5G HSDPA sử dụng kỹ thuật truyền dẫn kênh chia sẻ, thực kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH sở ghép nhiều kênh mã với hệ số trải phổ SF=16, tối đa số kênh mã dành cho lưu lượng lên đến 15 kênh mã dành cho báo hiệu điều khiển 111 HSDPA sử dụng chế AMC, mã hóa điều chế thích ứng, để phân phối tài ngun, cơng suất truyền dẫn khơng đổi HSDPA sử dụng truyền dẫn thích ứng sở lập biểu HARQ HSDPA có chuyển giao cứng HSUPA, cơng nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao, bước tiến nhằm nâng cao tốc độ khả giảm độ trễ đường truyền gói lên mạng UMTS, coi hệ di động 3.5G Nếu HSDPA sử dụng kênh truyền dẫn chia sẻ đường xuống tốc độ cao, HSUPA sử dụng kênh tăng cường EDCH để truyền lưu lượng đường lên HSUPA sử dụng truyền dẫn thích ứng sở lập biểu HARQ HSUPA sử dụng phân phối tài nguyên theo công suất với điều kiện công suất cấp phát cho máy di động không gây nhiễu cho máy khác Điểm khác biệt HSDPA HSUPA HSDPA không sử dụng điều khiển công suất chuyển giao mềm trái lại HSUPA sử dụng hai kỹ thuật này, HSUPA sử dụng kiểu điều chế BPSK khơng áp dụng kỹ thuật điều chế mà mã hóa thích ứng 112 KẾT LUẬN CHUNG Sự phát triển hệ thống thông tin di động lên 3G dựa công nghệ WCDMA bước tiến quan trọng nhằm cải thiện tốc độ thoại liệu lên đến 2Mbps đường xuống đường lên Do với cơng nghệ 3G mang lại cho người sử dụng dịch vụ đa phương tiện, âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng truyền hình số; dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; high-ends games; đặc biệt công nghệ WCDMA tương thích với hệ thống thơng tin di động 2G GSM để đảm bảo phát triển liên tục thông tin di động Tiêu biểu cho hệ thống thông tin di động 3G hệ thống UMTS, sử dụng rộng rãi châu Âu, phần lớn nước châu Á có Việt Nam Tuy nhiên trước canh tranh mạnh mẽ mạng không dây, cần cải thiện tốc độ mạng thông tin di dộng 3G để đáp ứng dịch vụ có tốc độ liệu đường lên đường xuống cao Tổ chức 3GPP đưa công nghệ HSPA để nâng cao tốc độ đường xuống nhờ cơng nghệ HSDPA đạt đến 14,4Mbps tốc độ đường lên nhờ cơng nghệ HSUPA lên đến 5,7Mbps HSPA phát triển dựa mạng WCDMA sử dụng sóng mang, dựa vào việc giải dung lương cao tốc độ bit cao, sử dụng sóng mang khác để đạt dung lượng cao, sử dụng phương pháp chuyển đổi mã hóa liệu khác Trong tương lai công nghệ thông tin di động hệ thứ tư LTE (Long Term Evolution – Phát triển dài hạn) giải pháp tiếp hướng tới đạt tốc độ liệu truyền kênh đường xuống tầm 100 Mbps kênh đường lên tầm 50 Mbps với băng thông 20MHz Điểm mấu chốt thông tin di động hệ tư sử dụng phương pháp đa truy cập cho hiệu suất cao phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), đa truy cập phân chia theo hội (ODMA) 113 Qua trình làm nghiên cứu hồn thiện luận văn tốt nghiệp giúp tơi hiểu biết sâu hệ thống thông tin di động phát triển mạnh mẽ toàn cầu Với nhìn tổng quan hệ thống UMTS hướng phát triển lên lên HSPA dựa tảng WCDMA giúp tơi có sở đề xuất với quan chủ quản lựa chọn công nghệ ứng dụng phù hợp vào công tác Công an hoạt động dạy học Trường Đại học Kỹ thuật – Hậu cần CAND 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Harri Holma, Antti Toskala, HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speed Radio Access for.Mobile Communications, John Wiley and Sons 2006 [2] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld and Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, Academic Press 2008 [3] Harri Holma and Antti Toskala, WCDMA For UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications, John Wiley and Sons 2004 [4] 2007 TS Trịnh Anh Vũ, Thông tin di động, NXB ĐH Quốc Gia Hà Nội [4] www.qualcomm.com [5] http://www.tapchibcvt.gov.vn 115 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Danh sách kênh vật lý Nhóm kênh CCH (Control Channel: Kênh điều khiển) TCH (Traffic Channel: Kênh lưu lượng) Phụ lục 2: Danh sách kênh truyền tải Kênh truyền tải DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng) BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá) FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống) PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi) RACH (Random Access Channel) CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung) DSCH (Dowlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống) Phụ lục 3: Danh sách kênh vật lý Tên kênh DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng) DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) PRACH (Physical Random Access Channel: Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên) PCPCH (Physical Common Packet Channel: Kênh vật lý gói chung) CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung) P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp) S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp) SCH (Synchrronization Channel: Kênh đồng bộ) PDSCH (Physical Downlink Shared Channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống) AICH (Acquisition Indication Channel: Kênh thị bắt) PICH (Page Indication Channel: Kênh thị tìm gọi) AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh thị bắt tiền tố truy nhập) CD/CA-ICH (CPCH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel: Kênh thị phát va chạm CPCH/ấn định kênh) CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh thị trạng thái CPCH) ... nghiên cứu hệ thống thông tin di động số, công nghệ WCDMA, HSPA giới Việt Nam - Mô hình kiến trúc WCDMA HSPA - Một số kế hoạch phát triển công nghệ WCDMA HSPA Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài... đến công nghệ WCDMA HSPA Trích xuất, biên tập thành tài liệu tổng quan WCDMA Phương pháp xin ý kiến chuyên gia: Trong trình tìm hiểu, tham khảo ý kiến chuyên gia công nghệ ứng dụng công nghệ WCDMA. .. trúc giải pháp kỹ thuật WCDMA Tìm hiểu cụ thể cơng nghệ truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Tài liệu hệ thống thông tin di động số, công nghệ WCDMA HSPA Các cơng trình nghiên