Công nghệ HSDPA trong 3g luận văn tốt nghiệp đại học (2)

Lời nói đầu Ngày nay thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,6 tỷ tính đến cuối năm 2008[6]. Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế hệ thứ ba, có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu truyền dẫn cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Các mạng 3G đã được triển khai trên nhiều nước trên thế giới, tuy nhiên thậm chí trước khi chúng được triển khai, các hoạt động nâng cấp chúng cũng đã được tiến hành trong 3GPP (the Third Generation Partnership Project: đề án cộng tác thế hệ ba). HSDPA (High Speech Downlink Packet Access: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Ngoài ra rất nhiều hội thảo và bàn luận về 4G cho những năm của thập niên 2010 đã được tích cực tiến hành trong các tổ chức quốc tế và diễn đàn như: ITU và WWRF (Wireless World Research Forum). Các trường đại học, các viện nghiên cứu và các phòng thí nghiệm trên thế giới cũng đã và đang tích cực tiến hành các hoạt động nghiên cứu của mình trong lĩnh vực này. Các hoạt động nghiên cứu sôi động này hoàn toàn phù hợp với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin di động. Nếu ta nhìn lại thời điểm bắt đầu nghiên cứu 3G mười năm trước đây, thì số thuê bao di động trên toàn thế giới mới là 300 triệu đến 2007 con số này đã là 3,1 tỷ và đến cuối năm 2008 con số này đã lên đến 3,6 tỷ bằng ½ số dân trên thê giới. Dự báo đến 2012 con số này lên đến 4,5 tỷ trong đó có 1,638 tỷ là 3G với 1,2 tỷ WCDMA/HSPA và 438 triệu 1 CDMA 2000 (chiếm gần 35% tổng số thuê bao). Việt Nam cũng nằm trong xu thế của quá trình trên. [6] Xuất phát từ thực tế trên em đã chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là “Công nghệ HSDPA trong 3G”. Tìm hiểu về đề tài này em chủ yếu tập trung đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích về công nghệ HSDPA - công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao ở các khía cạnh như cấu trúc kênh, các khía cạnh kỹ thuật sử dụng trong HSDPA và các ứng dụng trên HSDPA. Trước hết, em xin chân thành cảm ơn ThS. Đặng Thái Sơn đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo trong Khoa cùng gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho em trong suốt năm năm học vừa qua. Do thời gian và trình độ có hạn, nên chắc chắn những vấn đề được đề cập trong đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự lượng thứ và ý kiến đóng góp của các thầy, cô cũng như những ai quan tâm. Nghệ An, ngày 15/05/2011 Sinh viên Trịnh Thị Thùy Linh 2 Tóm tắt đồ án Tiền thân của 3G là hệ thống điện thoại 2G, như GSM, CDMA, PDC, PHS… GSM sau đó được nâng cấp lên thành GPRS hay còn gọi là thế hệ 2.5G. GPRS hỗ trợ tốc độ 140.8 Kb/s nhưng thực tế chỉ là 56 Kb/s. E-GPRS hay EDGE là một bước tiến đáng kể từ GPRS với khả năng truyền dữ liệu 180 Kb/s và được xếp vào hệ thống 2.75G. Năm 2006, mạng UMTS tại Nhật đã nâng cấp lên HSDPA - là một tính năng mới được đề cập trong các phiên bản Re’5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến W-CDMA/UTRA-FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3.5G. Trong khuôn khổ đồ án này, em chủ yếu đi vào nghiên cứu cấu trúc của HSDPA và ứng dụng vào mạng di động thế hệ thứ 3G. Nội dung đồ án bao gồm ba chương. Chương 1. Giới thiệu về lịch sử phát triển và những đặc trưng của thông tin di động qua các thời kỳ. Các tham số chính của W-CDMA và các bước cải tiến của công nghệ W-CDMA. Chương 2. Chủ yếu đề cập về nguyên lý hoạt động, mô hình giao thức, cấu trúc các kênh của HSDPA. Chương 3. Tập trung vào các kỹ thuật được sử dụng trong HSDPA. Và các ứng dụng trên HSDPA. 3 Mục lục Các hình vẽ sử dụng trong đồ án Các bảng sử dụng trong đồ án Bảng 1.2. Các thông số chính của WCDMAError: Reference source not found Bảng 2.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp…… .Error: Reference source not found Bảng 2.2. So sánh tính năng kênh DCH và HS-DSCH…………………… 53 Bảng 3.1. Ví dụ về MSC của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã ………………………………………………………………………… 70 4 Bảng 3.2. Lược đồ mã hóa điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã Error: Reference source not found 5 Các thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1G First Genaration Thế hệ thứ nhất 2G Second Genaration Thế hệ thứ hai 3G Third Genaration Thế hệ thứ ba 3GPP Third Genaration Partnership Project Đề án cộng tác tác thế hệ thứ 3 ACK Acknowledgement Xác nhận AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động BLER BLock Error Rate Tỷ số lỗi khối BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CC Chase Combining Kết hợp khuôn CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã C/I Carrier-to-Interference ratio Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh CRC Cyclic Redundancy Kiểm tra vòng dư CS Circuit Switched Chuyển mạch DTX Discontinuous Transmission Truyền không liên tục EDGE Enhanced Data rate for GPRS Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS E-DPCCH E-DCH Dedicated Physical Control CHannel Kênh điều khiển vật lý dành riêng E-DCH GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for MobileCommunications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu tự động phát lại linh động 6 HSDPA High Speed Dowlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HS-DPCCH Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao HS-DSCH High Speed Dedicated Share CHannel Kênh chia sẻ dành riêng tốc độ cao HS-SCCH High Speed Share Control CHannel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao ID Interface Mặt nạ IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện các kỹ sư điện và điện tử IMT International Mobile Telecommunication Hội thông tin di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet ITU International Telegraphic Liên minh viễn thông thế giới IR Incremental Redundancy Tăng độ dư MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MS Mobile Station Trạm di động NACK Non-ACK Không chấp nhận PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PN Pseudo Noise Giả tạp âm PS Packet Switching Chuyển mạch gói QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Quadrature PhaseShift Điều chế khóa chuyển pha 7 QPSK Keying Vuông góc (khóa chuyển pha vuông góc) RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RTT Round Trip Time Thời gian đi vòng quanh SAW Stop And Wait Dừng và đợi SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SINR Signal-to-Interference- plus-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu TTI short Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống thông tin di động toàn cầu VoIP Voice over IP Thoại trên IP W-CDMA Wideband CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng 8 Chương 1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 1.1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G ) Vào cuối thể kỷ XIX các thí nghiệm của Marconi đã cho thấy thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu phát ở xa và di động. Thông tin vô tuyến thời bấy giờ sử dụng mã Morse, chủ yếu cho quân sự và hàng hải. Cho tới năm 1928 hệ thống vô tuyến truyền thanh mới được thiết lập, đầu tiên cho cảnh sát. Vào năm 1933, sở cảnh sát Bayonne đã thiết lập được một hệ thống điện thoại vô tuyến di động tương đối hoàn chỉnh đầu tiên trên thế giới. Hồi đó các thiết bị điện thoại rất cồng kềnh, nặng hàng chục kg, đầy tạp âm và rất tốn nguồn do dùng các đèn điện tử tiêu thụ nguồn lớn. Công tác trong dải thấp của băng VHF, các thiết bị này liên lạc được với khoảng cách vài chục dặm. Sau đó thì quân đội cũng đã dùng thông tin di động để triển khai và chỉ huy chiến đấu. Các dịch vụ di động trong đời sống như cảnh sát, cứu thương, cứu hỏa, hàng không, hàng hải,… cũng đã dần sử dụng thông tin di động để các hoạt động của mình được thuận lợi. Chất lượng thông tin di động hồi đó rất kém. Đó là do các đặc tính truyền dẫn sóng vô tuyến, dẫn đến tín hiệu thu được là một tổ hợp nhiều thành phần của tín hiệu đã được phát đi, khác nhau cả về biên độ, pha và độ trễ. Tại anten thu, tổng vectơ của các tín hiệu này làm cho đường bao của tín hiệu thu được bị thăng giáng mạnh và nhanh. Khi trạm di động tiến hành, mức tín hiệu thu tức thời thường bị thay đổi lớn và nhanh làm cho chất lượng đàm thoại suy giảm trông thấy. Tất nhiên, tất cả các đặc tính truyền dẫn ấy ngày nay vẫn tồn tại song hồi đó chúng chỉ được chống lại bằng một kỹ nghệ còn trong thời kỳ sơ khai. Trong khi ngày nay công nghệ mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Integrated circuit) cho phép sử dụng từ hàng trăm ngàn đến khoảng một triệu đèn bán dẫn cho việc 9 loại bỏ các ảnh hưởng xấu của đặc tính truyền dẫn thì hồi đó các máy thu phát thường chỉ có không đến 10 đèn điện tử. Băng tần sử dụng cho thông tin vô tuyến thời bấy giờ luôn khan hiếm. Các băng sóng trung và dài đã được sử dụng cho phát thanh trong khi các băng tần số thấp và cao (LF và HF) thì bị chiếm bởi các dịch vụ thông tin toàn cầu. Do công nghệ lúc đó còn thấp nên chưa đạt được chất lượng liên lạc cao trên các băng sóng VHF và UHF. Khái niệm về tái sử dụng tần số đã được nhận thức song không được áp dụng để đạt được mật độ người sử dụng cao. Do đó, chất lượng của thông tin di động kém hơn nhiều so với thông tin hữu tuyến. Trong khi các mạng điện thoại tương tự cố định thương mại hóa nhờ sự phát minh ra các dụng cụ điện tử kích thước nhỏ bé và tiêu thụ ít năng lượng dựa trên vật liệu bán dẫn thì tình trạng của vô tuyến di động vẫn còn biến đổi rất chậm. Các hệ thống vô tuyến di động mặt đất đã bắt đầu được sử dụng vào những năm 1940 song mới chỉ ở mức độ phục vụ các nhóm chuyên biệt chứ chưa phải cho các cá nhân trong cộng đồng. Từ cuối những năm 1970, với sự ra đời của các công nghệ như: mạch tích hợp thiết kế được một cách tùy chọn, các bộ vi xử lý, các mạch tổng hợp tần số, các chuyển mạch nhanh dung lượng lớn… nên các mạng vô tuyến di động tế bào đã phát triển rất nhanh. Cứ khoảng 10 năm lại có một thế hệ vô tuyến di động tế bào mới, với các dịch vụ ngày càng mở rộng, chất lượng dịch vụ ngày một cao và vùng cung cấp dịch vụ ngày một rộng lớn. Những năm của thập kỷ 1980 một số hệ thống tế bào tương tự thường được gọi là các mạng vô tuyến di động mặt đất công cộng PLMR ra đời. Các hệ thống loại này được gọi là hệ thống vô tuyến di động tế bào thế hệ thứ nhất 1G, đây là hệ thống truyền tín hiệu tương tự tiêu biểu là Hệ thống các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến AMPS của Mỹ công tác trên dải tần 800 Mhz và Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu NMT 450 công tác trên dải tần 450 Mhz, rồi sau đó trên cả dải 900 Mhz (NMT 900). Làm việc ở dải UHF, các mạng này cho 10 . tốt nghiệp là Công nghệ HSDPA trong 3G . Tìm hiểu về đề tài này em chủ yếu tập trung đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích về công nghệ HSDPA - công. QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Ngoài ra rất nhiều hội thảo và bàn luận về 4G cho những năm của thập niên 2010 đã được tích cực tiến hành trong