Để phát triển lên các mạng vô tuyến truy nhập tốc độ cao có rất nhiều lựa chọn cho phép nhà khai thác phát triển mạng GSM hiện có của mình. Tuy nhiên, GPRS là bước triển khai làm thay đổi mạnh mẽ cấu trúc mạng thông tin di động với phần chuyển mạch gói trong mạng lõi IP phục vụ hiệu quả các dịch vụ dữ liệu đến tốc độ trung bình. Để có thể cung cấp dịch vụ 3G một cách đầy đủ (tốc độ dữ liệu tới 2Mbps) thì việc triển khai hệ thống WCDMA mới là tất yếu.
Bên cạnh đó, có một lựa chọn cho phép nhà khai thác GSM có thể tối ưu hoá việc phát triển của mình, đó là công nghệ EDGE với những cải tiến về máy thu phát vô tuyến (tập trung vào phần mạng truy nhập vô tuyến) cho phép cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao hơn và tăng dung lượng hệ thống mà không làm thay đổi lớn tới cấu trúc mạng di động.
Các mạng WCDMA mới được xây dựng trên sự thành công của GSM và tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của những nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển về dịch vụ và mạng là từ mạng GSM hiện nay, qua giai đoạn phát triển GPRS, EDGE, WCDMA và cuối cùng tiến lên mạng HSPA và IMT- Advanced.
GPRS
Điều kiện đặt ra là nhà khai thác đã phải có một mạng GSM rộng khắp. Nhu cầu dịch vụ dữ liệu của thuê bao chủ yếu là các dịch vụ dữ liệu tốc động trung bình (tới 115 kbps). Hạ tầng mạng đã triển khai là rất lớn, nhà khai thác muốn tận dụng tối đa hạ tầng hiện có cho dịch vụ dữ liệu.
49
GPRS là hệ thống 2.5G được nâng cấp từ GSM chủ yếu về mạng lõi theo nguyên tắc chuyển mạch gói. GPRS tăng cường các dịch vụ số liệu của GSM một cách đáng kể bằng cách cung cấp các kết nối dữ liệu chuyển mạch gói đầu cuối đến đầu cuối, cho tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 171,.2 kbps và hỗ trợ các giao thức Internet TCP/IP và X.25. Về kỹ thuật, hệ thống mạng truy nhập của GSM được giữ nguyên và chỉ cần nâng cấp phần mềm. Cụ thể BTS, BSC phải được nâng cấp phần mềm, MS phải có chức năng GPRS. phân hệ mạng lõi được bổ xung thêm phần chuyển mạch gói với hai nút chính: nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) và nút hỗ trợ cồng GPRS (GGSN). Bằng cách này, với nâng cấp không đáng kể, hệ thống có thể cung cấp dịch vụ dữ liệu gói cho thuê bao di động rất
thích hợp với các dịch vụ dữ liệu không đối xứng.
Hình2.2: Triển khai GPRS trên nền mạng GSM
EDGE
Để tiếp tục tối ưu hoá hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công nghệ EDGE. EDGE là một một bước phát triển cao hơn của GPRS nhằm tiếp cận gần hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của các nhà khai thác
Thay đổi HW& SW cho GPRS
ISDN PSDN PSPDNX25 CSPDN MS Gb BSC GMSC BSS NSS MSC/VLR A BTS TRAU HLR/AuC/EIR V A S i n GPRS Packet Core SGSN GGSN Internet Um Mạng số liệu khác PSTN Thêm mới
50
TDMA và GSM. So với GPRS, EDGE tập trung vào các cải thiện phần truy nhập vô tuyến bằng cách sử dụng các phương thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã hoá tiên tiến khác. Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của người sử dụng trên một sóng mang 200 kHz có thểđạt được là 473,6 kbps.
Việc qui hoạch mạng vô tuyến sẽ ít bị ảnh hưởng khi triển khai công nghệ EDGE. Cụ thể, các BTS được tiếp tục sử dụng, các nút chuyển mạch gói GPRS cũng không bị ảnh hưởng do chức năng độc lập với tốc độ bit của thuê bao. Toàn bộ thay đổi đối với các nút chuyển mạch của mạng chỉ là việc nâng cấp phần mềm. Thiết kế cũng cho phép đầu cuối EDGE nhỏ gọn và giá cạnh tranh được.
Các kênh truyền dẫn trong EDGE cũng thích hợp cho các dịch vụ GSM và không có sự phân biệt giữa dịch vụ EDGE, GPRS hay GSM. Xét trên quan điểm nhà khai thác thì các dịch vụ EDGE nên triển khai trước tiên cho các khu vực nóng sau đó mở rộng dần theo nhu cầu cụ thể. Việc nâng cấp phần cứng BSS theo công nghệ EDGE có thể quan niệm như nâng cấp và mở rộng mạng để đáp ứng phát triển thuê bao thông thường. Khả năng 3G băng rộng có thể thực hiện từng bước bằng cách triển khai dần giao diện vô tuyến mới 3G trên mạng lõi GSM hiện tại. Điều này bảo đảm an toàn đầu tư và chính sách khách hàng cho nhà khai thác.
Đối với các nhà khai thác có giấy phép cho băng tần mới 2 GHz thì có thể triển khai IMT-2000 cho các khu vực phủ sóng sớm có nhu cầu lớn nhất về các dịch vụ 3G, 3G+. Đầu cuối hai chếđộ EDGE/IMT-2000 sẽ cho phép thuê bao thực hiện chuyển vùng và chuyển giao giữa các hệ thống. So với phương án xây dựng mạng 3G hoàn toàn mới thì việc phát triển dần trên mạng GSM sẽ nhanh chóng và rẻ tiền hơn. Các bước trung gian GPRS và EDGE cũng có thuận lợi là phát triển tiếp lên 3G, 3G+ dễ dàng.
Thực tế, việc tăng tốc độ dữ liệu trên giao diện vô tuyến đòi hỏi thiết kế lại các phương thức truyền dẫn vật lý, khuôn dạng khung, giao thức báo hiệu tại các giao diện mạng khác nhau. Do vậy, tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể về tốc độ dữ liệu để lựa chọn phương
51
án nâng cấp hệ thống nhằm tăng tốc độ dữ liệu trên các giao diện A-bis.
Hình 2.3: Triển khai EDGE
WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một công nghệ truy nhập vô tuyến của UMTS trên một cặp băng tần. WCDMA hoạt động theo phương thức FDD và dựa trên công nghệ trải phổ trực tiếp (DS) sử dụng tốc độ bit 3.84 Mcps trong băng tần 5MHz. WCDMA hỗ trợ cho cả dịch vụ chuyển mạch kênh , dịch vụ chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời của các dịch vụ hỗn hợp với phương thức gói hiệu quả. ISDN PSDN PSPDNX25 CSPDN MS Gb BSC GMSC E-RAN NSS MSC/VLR A BTS TRAU HLR/AuC/EIR V A S i n SGSN GGSN Internet Um
Nâng cấp HW& SW cho EDGE
Mạng số liệu khác Mạng lõi E-GPRS
PSTN
52
Hình 2.4: Triển khai UMTS
Có rất nhiều vần đề kỹ thuật trong việc chuyển đổi cần được quan tâm. Đểứng chuyển đổi đã có 3 bản chuẩn hoá mạng lõi của 3GPP sẽ được trình bày rõ hơn ở phần mạng lõi 3GPP. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
HSPA
Ngay sau khi có những mạng UMTS được triển khai đầu tiên, người ta thấy rõ rằng việc sử dụng các kênh dành riêng trên giao tiếp vô tuyến để truyền dữ liệu chuyển gói đã quá thiếu uyển chuyển về nhiều mặt. Bởi vì theo đặc tả, tốc độ truyền dữ liệu cao nhất có thể đạt được là 384 Kbit/s với một độ dài mã trài là 8. Điều này hạn chế số lượng người đồng thời có thể dùng một đường truyền tải như vậy ở mức tám theo lý thuyết và ở mức hai hoặc ba trong thực tế, bởi vì một số mã trải đã được yêu cầu cấp phát cho các kênh quảng bá của cell và cho các cuộc gọi
thoại của các thuê bao khác rồi. Do tính chất bursty của nhiều ứng dụng chuyển mạch gói, kênh truyền có thể hiếm khi được dùng đầy đủ bởi một UE nào đó, và vì thế nhiều
CN PS Domain GGSN SGSN Internet RNC UTRAN NodeB UE Uu BSC E-RAN BTS ISDN PSDN PSPDNX25 CSPDN Gb A HLR/AuC/EIR V A S MS 3G GMSC CN CS Domain 3G MSC/VLR Um C A M E L W A P M E X E U S A T Iu Iub Mạng số liệu khác Thêm mới Nâng cấp phần mềm PSTN Nâng cấp phần mềm
53
dung lượng đường truyền không được dùng đến. Có thể chống lại điều này phần nào bằng cách trước hết cấp phát những độ dài mã không lớn lắm cho kênh truyền của người dùng, rồi sau đó chỉ nâng cấp kênh truyền khi nó phát hiện rằng kênh truyền đã được sử dụng đầy đủ trong một thời gian nào đó (ví dụ như, trong thời gian tải xuống một file). Ngoài ra, các mã trải ngắn đã nhanh chóng được thay thế bởi các mã trải dài hơn sau khi RNC thấy rõ rằng dung lượng đường truyền không còn được sử dụng đầy đủ nữa. Cho dù có những cơ chế này, mức độ sử dụng hiệu quả dung lượng đường truyền vẫn còn khá thấp. Hệ quả là, các nhà sản xuất thiết bịđã bắt đầu làm việc đểđưa ra một loạt yêu cầu kỹ thuật cải tiến cho chuẩn UMTS. Chuẩn cải tiến ấy được gọi là HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). Đặc tả kỹ thuật của HSDPA bắt đầu được soạn ra từ năm 2002, nhưng mãi đến cuối năm 2005 mới có các mạng và thiết bị hậu thuẫn HSDPA đầu tiên trong thực tế. Sau khi việc chuẩn hóa HSDPA đã diễn ra tốt đẹp, nhiều yêu cầu kỹ thuật cải tiến khác cũng đã được định ra cho hướng lên. Tập hợp các yêu cầu kỹ thuật cải tiến này được gọi là HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access). Kết hợp với nhau, HSDPA và HSUPA giờđây được gọi là HSPA.
Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002. Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 và tháng 12 năm 2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007. Bảng dưới đây trình bày tốc độ đạt được đối với các đầu cuối HSDPA khác nhau:
HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác đểđạt được dung lượng cao
54
Hình 2.5: Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1).
HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng nút B và RNC. Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác.
Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau. Hình 2.6 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độđỉnh (14,4Mbps trên 2 ms) tại đầu cuối chỉ xẩy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps. Đểđảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có bộđệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.
55
HSPA
Việc tìm cách cải tiến UMTS và làm cho nó nhanh hơn, sử dụng điện năng hiệu quả cao hơn, và cho phép nhiều thiết bị hơn sử dụng đồng thời một cell (ví dụ như, cho VoIP) đã không kết thúc với HSPA. Từ các Release 7 (cuối năm 2007) của chuẩn 3GPP, đã có nhiều sáng kiến cải tiến thêm. Những cải tiến trong giao tiếp vô tuyến của hệ thống HSPA được gọi là chuẩn HSPA+. Sau đây ta xem xét các chuẩn HSPA+ ( các Release của 3GPP từ Release 7 trởđi)
3GPP R7
MIMO là một trong tính năng mới được đưa vào R7 để tăng các tốc độ số liệu đỉnh thông qua truyền dẫn luồng. Nói một cách chặt chẽ, MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một cách thể hiện tổng quát sự sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và phía thu. Nhiều anten có thể được sử dụng để tăng độ lợi phân tập và vì thế tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu tại máy thu. Tuy nhiên thuật ngữ này thường được sử dụng để biểu thị truyền dẫn nhiều lớp hay nhiều luồng như là một phương tiện để tăng tốc độ số liệu đến mức cực đại có thể trong một kênh cho trước. Vì thế MIMO hay ghép kênh không gian có thể nhìn nhận như là một công cụđể cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối giống như một ‘bộ khuếch đại tốc độ số liệu’. Về bản chất, cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối ở một mức độ nhất định sẽ dẫn đến tăng thông lượng hệ thống.
Các sơđồ MIMO được thiết kếđể khai thác một số thuộc tính của môi trường truyền sóng vô tuyến nhằm đạt được các tốc độ số liệu cao bằng cách phát đi nhiều luồng số liệu song song. Tuy nhiên để đạt được các tốc độ số liệu cao như vậy, cần đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao tương ứng tại máy thu. Vì thế ghép kênh không gian chủ yếu được áp dụng cho các ô nhỏ hơn hay vùng gần với nút B, nơi mà thông thường tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao. Trong trường hợp không thể đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu đủ cao, nhiều anten thu mà UE có năng lực MIMO được trang bị có thểđược sử dụng cho
56
phân tập thu cho một luồng phát đơn. Vì thế một UE có năng lực MIMO sẽ đảm bảo tốc độ số liệu cao hơn tại biên ô trong các ô lớn so với một UE tương ứng chỉ có một anten.
HSDPA MIMO hỗ trợ truyền dẫn hai luồng. Mỗi luồng được xử lý lớp vật lý như nhau (mã hóa, trải phổ và điều chế giống như trường hợp HSDPA một lớp). Sau mã hóa, trải phổ và điều chế, tiền mã hóa tuyến tính dựa trên các trọng số phản hồi từ UE được sử dụng trước khi luồng sốđược sắp xếp lên hai anten
Hình 2.7: Sơđồ MIMO 2x2
Sơ đồ trên cũng có thể hoạt động trong chế độ truyền dẫn một luồng. Trong trường hợp này chỉ có một luồng số liệu là được mã hóa và được truyền đồng thời trên cả hai anten giống như trường hợp phân tập phát vòng kín của WCDMA. Sơ đồ MIMO với hai chế độ này được gọi là D-TxAA (Dual Transmit Adaptive Array: dàn thích ứng phát kép). Trong môi trường di động thực tế chếđộ hai luồng được sử dụng khi UE gần trạm gốc (đường truyền có chất lượng tốt) và một luồng được sử dụng khi UE xa trạm gốc (đường truyền có chất lượng xấu).
Việc đưa vào MIMO sẽảnh hưởng chủ yếu lên quá trình xử lý lớp vật lý; ảnh hưởng lên lớp giao thức là nhỏ và các lớp trên chủ yếu nhìn MIMO như là một tốc độ số liệu cao hơn.
57
Trong 3GPP R7 ngoài MIMO thì các sơ đồđiều chế bậc cao cũng được sử dụng kết hợp linh hoạt để tăng tốc độ số liệu. Bảng dưới đây cho thấy quá trình tăng tốc độ đỉnh HSDPA bằng việc sử dụng MIMO kết hợp với điều chế bậc cao 16QAM/64QAM đối với các loại đầu cuối UE khác nhau.
Thể loại
Số mã Điều chê MIMO Tỷ lệ mã hóa Tốc độ bit đỉnh (Mbps) Phát hành của 3GPP 12 5 QPSK - 3/4 1,8 R5 5/6 5 16QAM - 3/4 3,6 R5 7/8 10 16QAM - 3/4 7,2 R5 9 15 16QAM - 3/4 10,1 R5 10 15 16QAM - Gần 1/1 14,0 R5 13 15 64QAM - 5/6 17,4 R7 14 15 64QAM - Gần 1/1 21,1 R7 15 15 16QAM 2x2 5/6 23,4 R7 16 15 16QAM 2x2 Gần 1/1 28 R7 Bảng 2.1: Tốc độđỉnh của các loại đầu cuối HSDPA khác nhau
Một đặc điểm nổi bật của Rel.7 là khả năng tăng gấp đôi dung lượng thoại so với WCDMA (R99). Rel.7 cho phép hai lựa chọn thoại chuyển mạch kênh CS và thoại qua IP VOIP, kết hợp cả hai lựa chọn cho phép gấp đôi dung lượng thoại so vơi WCDMA R99 trong khi vẫn đảm bảo chất lượng thoại. Người sử dụng đang thoại vẫn đồng thời dùng được các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao do thoại và dịch vụ dữ liệu được trộn vào cùng sóng mang HSPA.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3GPP R8
Trong Rel.8 việc kết hợp đa sóng mang được thực hiện cho phép tăng tốc độ đường