Công nghệ truy nhập gói đường tốc độ cao HSDPA

LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn T.S Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, sự chỉ bảo tận tình của cô đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giáo trong Khoa đã tạo điều kiện học tập và nghiên cứu cho em trong suốt năm năm học vừa qua. Xin cảm ơn các bạn học và những người thân đã luôn giúp đỡ, động viên và chia sẻ những lúc tôi khó khăn trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên đồ án tốt nghiệp sẽ không tránh khỏi sai sót. Em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp xây dựng của Thầy, Cô và các bạn để có thể tiếp tục phát triển theo hướng nghiên cứu của mình. Em xin chân thành cảm ơn. Vinh ngày 15/05/2010 Sinh viên Nguyễn Thị Hải yến 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất. Để đáp ứng nhu cầu về chất lượng và dịch vụ ngày càng nâng cao, thông tin di động càng không ngừng được cải tiến. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động trong tương lai. Các dịch vụ do mạng thông tin di động cũng ngày càng phong phú hơn, ngoài các dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống thông tin di động hiện đại còn cung cấp thêm nhiều loại hình dịch vụ số liệu khác với tốc độ cao. 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. HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau cải thiện dung lượng mạng và tăng tốc dữ liệu đỉnh đối với dung lượng gói đường xuống. Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch vụ hiện có và đạt chi phí thấp nhất. Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của W- CDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP.Trong khuôn khổ đồ án này, tác giả 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 năm chương. Chương 1 giới thiệu về lịch sử phát triển và những đặc trưng của thông tin di động qua các thời kỳ. Đồng thời chương này còn đề cập về các chuẩn xây dựng mạng 3G, các tham số chính của W-CDMA và các bước cải tiến của công nghệ W-CDMA. Chương 2 trình bày một cách tổng quan về HSPA, các tiêu chuẩn hóa, các giao thức, cấu trúc HSPA. Trong chương còn nêu ra giải pháp dung lượng vô tuyến với HSDPA. Chương 3 chủ yếu đề cập về nguyên lý 2 hoạt động, mô hình giao thức, cấu trúc các kênh của HSDPA. Ngoài ra, còn giới thiệu tới một khái niệm mới đó là HSDPA MIMO. Chương 4 tập trung vào các kỹ thuật được sử dụng trong HSDPA. Bên cạnh đó còn đề cập tới các tham số liên quan tới các kỹ thuật và các ứng dụng trên HSDPA. Chương 5 giúp ta có một cách nhìn khái quát về công nghệ HSUPA. Phần cuối của chương đề cập tới các công nghệ sử dụng trong HSUPA, kiến trúc cũng như cấu trúc các kênh trong HSUPA. TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3 Thông tin di động đang phát triển như vũ bão, chất lượng và dịch vụ ngày càng được nâng cao đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng. Trong đồ án này tác giả 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. Song song với HSDPA, tác giả còn đề cập đến công nghệ HSUPA-công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao-là công nghệ hỗ trợ và bổ sung việc truyền dữ liệu từ UE đến Node B mà không thể làm được khi sử dụng công nghệ HSDPA. Do HSDPA phát triển trên nền tảng của W-CDMA nên HSDPA chỉ thành công tại những nơi mà triển khai thành công W-CDMA. Mobile communication is developing as the sweeping, quality and service is increasingly advanced to meet the increasing needs of users. In this project the author focuses going into research, stady, analysis of HSDPA technology-high speed downlink packet access-in aspects such as channel structure, the technical aspects used in application over HSDPA. Besides offering a review and evaluation, compared to previous technologies to realize the advantages of HSDPA technology. In parallel with HSDPA, the auther also refers to technology and technology HSUPA-high speed uplink packet access technology-to support and supplement the data from UE to Node B which can not be done when HSDPA technology. Because HSDPA based development of W-CDMA to HSDPA only place where success in the successful deployment of W-CDMA MỤC LỤC 4 LỜI CẢM ƠN .1 LỜI NÓI ĐẦU 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN .3 CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 8 CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN .10 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .11 CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG .17 1.1 Thông tin di động thế hệ 1G 17 1.2 Thông tin di động thế hệ 2G 18 1.3 Thông tin di động thế hệ 2.5G .19 1.4 Thông tin di động thế hệ 3G 20 1.5 Các chuẩn xây dựng mạng 3G .22 1.6 Các tham số chính của W-CDMA .22 1.7 Các bước cải tiến của công nghệ W-CDMA .25 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO HSPA 29 2.1Khái quát và tiêu chuẩn hóa HSPA 30 2.1.1 Sự chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP 31 2.1.2 Sự chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP .31 2.2 Các giao thức và cấu trúc HSPA .32 2.2.1 Hệ thống quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến .32 2.2.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng 33 2.3 Giải pháp dung lượng vô tuyến với HSPA 36 CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT TRUY NHẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO HSDPA 37 3.1 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với W-CDMA 38 3.2 Nguyên lý hoạt động của HSDPA .39 3.3 Mô hình giao thức HSDPA 41 3.4 Cấu trúc kênh của HSDPA 42 5 3.5 Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH .44 3.5.1 Mã hóa HS-DSCH 47 3.5.2 Điều chế HS-DSCH 51 3.5.3 Sự điều chỉnh kết nối HS-DSCH 52 3.6 Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH 53 3.7 Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao HS-DPCCH .56 3.8 HSDPA MIMO 59 CHƯƠNG 4. CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG HSDPA VÀ ỨNG DỤNG TRÊN HSDPA 61 4.1 Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA 61 4.1.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ .61 4.1.2 Mã hóa và điều chế thích nghi AMC. Kỹ thuật truyền dẫn đa mã 62 4.1.3 Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh HARQ 65 4.1.4 Lập lịch nhanh và hợp lý tại Node B 68 4.1.5 Lựa chọn vị trí tế bào nhanh FCSS .68 4.1.6 Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI .69 4.2 Chuyển giao trong HSDPA 69 4.2.1 Xác định ô tốt nhất và chuyển giao .69 4.2.2 Chuyển giao HS-DSCH giữa các ô (hay đoạn ô) trong cùng một RNC 70 4.2.3 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau 70 4.2.4 Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH .71 4.3 Tham số Iub .73 4.4 Tham số QoS .73 4.5 Sắp xếp gói 74 4.5.1 Nguyên lý cơ sở 74 4.5.2 Thuật toán sắp xếp gói 75 4.6 Các ứng dụng trên HSDPA 75 4.6.1 VoIP song công toàn phần và thúc đẩy trò chuyện .75 4.6.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của VoIP .75 4.6.1.2 Phương thức hoạt động .76 4.6.1.3 VoIP qua HSDPA .77 6 4.6.1.4 Trò chơi với thời gian thực .78 4.7 Luồng TV - di động .78 4.8 Email 79 CHƯƠNG 5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN HSUPA 82 5.1 Lập biểu .83 5.2 HARQ với kết hợp mềm 85 5.3 Kiến trúc 86 5.4 Kênh dữ liệu vật lý dành riêng E-DPDCH 89 5.5 Kênh vật lý điều khiển vật lý dành riêng E-DPCCH .90 5.6 Kênh chỉ thị HARQ HICH .91 5.7 Kênh phụ cấp tỉ đối E-RGCH 92 5.8 Kênh cấp phát tuyệt đối EAGCH 93 5.9 Các loại đầu cuối HSUPA .94 KẾT LUẬN CHUNG 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO .96 7 CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1. Lộ trình phát triển của thông tin di động lên 4G .21 Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc kênh của WCDMA 25 Hình 2.1. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1) 29 Hình 2.2. Những chức năng mới của HSDPA và HSUPA 30 Hình 2.2. Các mốc thời gian phát triển của 3GPP .30 Hình 2.3. Các kỹ thuật cho HSUPA 31 Hình 2.4. Kiến trúc giao thức phẳng Re’99 .33 Hình 2.5. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng .34 Hình 2.6. Kiến trúc giao thức phẳng HSDPA cho người sử dụng 35 Hình 2.7. Kiến trúc giao thức phẳng HSUPA cho người sử dụng 35 Hình 3.1. Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với W-CDMA .38 Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA .40 Hình 3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH 41 Hình 3.4. Cấu trúc lớp MAC-hs 42 Hình 3.5. Giao diện vô tuyến của HSDPA 43 Hình 3.6. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp với W-CDMA .44 Hình 3.7. Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA 44 Hình 3.8. Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH .45 Hình 3.9. Trạng thái kênh của các user .46 Hình 3.10. Sơ đồ mã hóa Turbo trong HSDPA .47 Hình 3.11. Mã định kênh chia sẻ HS-DSCH trong HSDPA .48 Hình 3.12. Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH .48 Hình 3.13. HARQ trong HSDPA 49 Hình 3.14. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã hóa Turbo 50 Hình 3.15. Sơ đồ chùm sao tín hiệu của QPSK và 16-QAM 52 Hình 3.16. Cấu trúc hai phần của kênh HS-SCCH 54 Hình 3.17. Hệ thống trong trường hợp 1 kênh HS-SCCH và phân chia đa thời gian 56 8 Hình 3.18. Hệ thống trong trường hợp nhiều kênh HS-SCCH và phân chia đa thời gian 56 Hình 3.19. Cấu trúc kênh HS-DPCCH 57 Hình 3.20. Sơ đồ MIMO 2x2 59 Hình 4.1. Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH 62 Hình 4.2. Biểu diễn mã hóa điều chế của HSDPA và tốc độ bit đa khả dụng với mỗi mã theo dB 65 Hình 4.3. Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh (định thời không được mô tả) 66 Hình 4.4. Quá trình truyền lại block dữ liệu IR .67 Hình 4.5. Lập lịch nhanh và hợp lý .69 Hình 4.6. Đo và báo cáo ô (đoạn ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất 70 Hình 4.7. Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc cùng một RNC 71 Hình 4.8. Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau 71 Hình 4.9. Chuyển giao HS-DSCH từ Node B có HS-DSCH sang một Node B chỉ có DCH 72 Hình 4.11. Ước lượng tiêu thụ công suất của điện thoại di động 80 Hình 4.12. Truy cập email từ mobile sử dụng pin 1000mA 80 Hình 5.1. Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B .84 Hình 5.2. Chương trình khung lập biểu của HSUPA 85 Hình 5.3. Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH) 87 Hình 5.4. Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA .87 Hình 5.5. Cấu trúc kênh tổng thể với HSDPA và HSUPA .88 Hình 5.6. Cấu trúc khung của kênh EDPDCH 89 Hình 5.7. Cấu trúc khung của kênh EDPCCH 90 Hình 5.8. Cấu trúc khung của kênh EHICH 91 Hình 5.9. Ghép 40 tín hiệu E-HICHs/E-RGCH trên một mã kênh đơn 92 Hình 5.10. Cấu trúc khung của kênh EAGCH 94 CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9 Bảng 1.1. Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu .22 Bảng 1.2. Các thông số chính của WCDMA .24 Bảng 2.1. Các thông số tốc độ đỉnh HSPA .30 Bảng 3.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp 41 Bảng 3.2. Các loại đầu cuối 16-QAM với 10 mã 53 Bảng 3.3. Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau .60 Bảng 4.1. Ví dụ về MSC của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã .64 Bảng 4.2. Lược đồ mã hóa điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã .64 Bảng 4.3. Tổng quan về các loại chuyển giao trong HSDPA và các đặc tính của nó .72 Bảng 4.4. Nguyên lý sắp xếp gói .75 Bảng 5.1. Các loại đầu cuối R6 HSUPA .94 10 . trên HSDPA. Song song với HSDPA, tác giả còn đề cập đến công nghệ HSUPA -công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao- là công nghệ hỗ trợ và bổ sung việc truy n. 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