Nghiên cứu công nghệ HSPA và ứng dụng HSPA vào mạng di động 3G của VMS Mobifone

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.22 MB, 110 trang )

TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG
===== =====

đồ án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

nghiên cứu công nghệ hspa
và ứng dụng hspa vào mạng di động 3g
của vms - mobifone

Ngi hng dõn

: ThS. lê thị kiều nga

Sinh viờn thc hiờn : nguyễn thị thanh
Lp

: 49K - TVT

Mó s sinh viờn

: 0851080334

NGHỆ AN - 01/2013

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Ngyễn Thị Thanh

Số hiệu sinh viên: 0851080334

Ngành:

Điện tử - Viễn thông

Khoá: 49

1. Đầu đề đồ án:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
.........................................................................................................................................

---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Thị Thanh

Số hiệu sinh viên: 0851080334

Ngành:

Điện tử - Viễn thông

Khoá: 49

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Kiều Nga
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................

Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)

LỜI CẢM ƠN
Vậy là hơn bốn năm học đã trôi qua, và giờ đây em đã là một sinh viên sắp ra
trường. Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện đó em đã gặt hái được những
thành quả nhất định về kiến thức, đạo đức, nghị lực cũng như sự tự tin, bản lĩnh để
vững bước hơn trong cuộc sống. Có được những thành quả như ngày hôm nay,
ngoài sự nổ lực tu dưỡng của bản thân thì sự quan tâm, chỉ bảo của thầy cô có ý
nghĩa vô cùng quan trọng đối với em.
Nhân cơ hội này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo
trong trường Đại Học Vinh nói chung, Các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông
nói riêng đã tận tâm, tận lực bằng tinh thần trách nhiệm của mình giảng dạy, dìu dắt
em giúp em có được những thành quả như ngày hôm nay.
Và cuối cùng, em xin cảm ơn giảng viên ThS. Lê Thị Kiều Nga đã tận tình
chỉ dạy, giúp đỡ em hoàn thành bài đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên

Nguyễn Thị Thanh

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.............................................................iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................vi
CHƯƠNG

1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G.......................................1
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống di động................................................................1
1.2. Các tiêu chuẩn của mạng di động 3G..........................................................................4
1.3. Các tham số chính của WCDMA...............................................................................5
1.4. Các kênh cơ bản của W-CDMA..................................................................................6
1.5. Các bước cải tiến của công nghệ WCDMA...............................................................7
1.6. Kết luận chương 1.......................................................................................................9
CHƯƠNG

2

CÔNG NGHỆ HSPA....................................................................................................10
2.1. Tổng quan về công nghệ HSPA................................................................................10
2.2. Kiến trúc mạng ........................................................................................................12
2.2.1. Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 ............................................................................12
2.2.2. Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 ............................................................................14

2.2.3. Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6.....................................................................15
2.2.4. Kiến trúc HSPA/WCDMA R7 ..............................................................................16
2.3. Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA)....................................................18
2.3.1. Giới thiệu chung.....................................................................................................18
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của HSDPA..........................................................................20
2.3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA....................................................................21
2.3.4. Cấu trúc kênh HSDPA...........................................................................................24
2.3.4.2. Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH .....................................28
2.3.4.3. Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH)......................32
2.3.5. Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA ....................................................................35
2.3.5.1. Lập biểu phụ thuộc kênh............................................................................35
2.3.5.2. Điều chế và mã hóa thích ứng AMC .........................................................38
2.3.5.3. Kỹ thuật HARQ với kết hợp mềm..............................................................42
2.4. Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA).........................................................47
2.4.1. Giới thiệu chung.....................................................................................................47
2.4.2. Cấu trúc kênh HSUPA...........................................................................................49
2.4.2.1. Các kênh vật lý và kênh truyền tải E-DCH ................................................49
2.4.2.2. Kênh dữ liệu vật lý dành riêng E-DCH (E-DPDCH) ........................................51

2.4.2.3 Kênh điều khiển vật lý dành riêng E-DCH (E-DPCCH) ............................53
2.4.2.4. Kênh chỉ thị HARQ E-DCH (E-HICH) ....................................................54
2.4.2.5 Kênh cho phép tương đối E-DCH (E-RGCH) ..........................................56
2.4.2.6. Kênh cho phép tuyệt đối E-DCH (E-AGCH) .............................................57
2.4.3. Các kỹ thuật sử dụng trong HSUPA ....................................................................59
2.4.3.1. MAC-e và xử lý lớp vật lý.........................................................................59
2.4.3.2. Lập biểu .....................................................................................................61
2.4.3.3. HARQ với kết hợp mềm trong HSUPA.....................................................64
2.5. Kết luận chương 2....................................................................................................69
CHƯƠNG

3

TRIỂN KHAI HSPA TẠI VMS...................................................................................70
3.1. Hiện trạng triển khai HSPA tại Việt Nam ...............................................................70
3.2. Tình hình triển khai HSPA tại VMS MobiFone ......................................................73
3.2.1. Cấu trúc mạng thông tin di động VMS-MobiFone ..............................................73
3.2.2. Phương án triển khai HSPA áp dụng công nghệ HSDPA tại VMS-MobiFone ...75
3.2.3. Cơ sở triển khai mạng HSDPA tại MobiFone .......................................................76
3.2.4. Quá trình áp dụng công nghệ HSPA tại VMS ......................................................77
3.2.4.1. Giai đoạn thử nghiệm ban đầu ..................................................................77
3.2.4.2. Tình hình triển khai HSPA sau thử nghiệm tại VMS ................................81
3.3. Kết luận chương 3 ...................................................................................................85
CHƯƠNG

4

MÔ PHỎNG KÊNH HSDPA BẰNG PHẦN MỀM MATLAB..................................86
4.1 Mô phỏng đánh giá thông lượng hệ thống.................................................................86
4.2. Đánh giá tỉ lệ lỗi bit kênh truyền dùng HARQ .........................................................88
4.3. Kết luận chương 4.....................................................................................................89
KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................................90
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................91
PHỤ LỤC.....................................................................................................................92

PHỤ LỤC........................................................................................................... 91

8

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông
phát triểnnhanh 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.
Hiện nay các nhà mạng di động đang tập trung khai thác các công nghệ 3G,
nhưng với nhu cầu đòi hỏi các dịch vụ tốc độ cao của con người thì việc phát triển
công nghệ lên 4G sẽ không xa.
Một trong những công nghệ được coi là bước đệm để hướng tới 4G chính là
công nghệ 3,5G HSPA với hai công nghệ nền tảng HSDPA (High Speech Downlink
Packet Access: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (High Speech
Uplink Packet Access: truy nhập gói đường lên tốc độ cao). 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. HSDPA hoạt động
trên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử
dụng thích ứng đường truyền. Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm
bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường
lên trong chuẩn HSUPA (High Speech Uplink Packet Access).
Trong khuôn khổ đồ án này, em đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc của công
nghệ HSPA và triển khai HSPA tại VMS. Đồ án gồm 4 chương:
Chương I : Tổng quan về các hệ thống thông tin di động 3G
Chương II : Công nghệ HSPA
Chương III: Triển khai HSPA tại VMS
Chương IV: Mô Phỏng thông lượng kênh đường xuống HSDPA
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý,
giúp đỡ của Thầy, Cô, bạn bè.
Sinh Viên
Nguyễn Thị Thanh

i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong khuôn khổ đồ án này đi sâu tìm hiểu công nghệ HSPA là một công
nghệ truyền dẫn không dây di động, gồm hai giao thức là HSDPA (Truy nhập gói
tốc độ cao kênh đường xuống) và HSUPA (Truy nhập gói tốc độ cao đường lên) với
cái nhìn tổng quan nhất. Bằng việc so sánh các khía cạnh của HSPA với công nghệ
WCDMA của mạng di động 3G cũng như trình bày về kiến trúc hệ thống, cấu trúc
kênh và các kỹ thuật chính được sử dụng như: Điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc
kênh và HARQ với kết hợp mềm...Để giúp chúng ta hiểu được tại sao HSPA lại là
một công nghệ tiềm năng trong quá trình phát triển lên mạng di động 4G. Đồ án
cũng trình bày quá trình tìm hiểu thực tế áp dụng công nghệ HSPA của các nhà
mạng di động ở nước ta đặc biệt là quá trình triển khai ở VMS – Mobifont. Mặt
khác, em cũng tiến hành mô phỏng thông lượng và tỷ lệ lỗi bít của kênh vật lý
đường xuống HSDPA bằng phần mềm Matlab từ đó có thể tính được thông lương
và đánh giá chất lượng qua lý thuyết của HSDPA.

ABSTRACT
In the framework this thesis studied in depth HSPA technology is a mobile
wireless transmission technology, Consists of two protocols is HSDPA (High Speed
Downlink Packet Access) and HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) with an
orview of the most. By comparing aspects of HSPA and WCDMA technology of
the 3G mobile network as well as presented about the system architecture, the
channel structure and the main techniques used such as hight – level modulation,
chanel dependent scheduling and HARQ with soft combining… To helf us
understand Why HSPA is a potential technology in the development of 4G mobile
networks. The project also presented the process of fact-finding application HSPA
technology of the mobile network in our country especially in the deployment
process in VMS - Mobifont. Besides, I also conducted a simulation throughput and

bit error rate of HSPA downlink physical channel using Matlab software which can
calculate throughput and quality assessment through HSDPA theories.

ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng việt

3G

Third Generation

3GPP

3rd Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

AMC

Adaptive Modulation and Coding

Mã hóa và điều chế thích ứng

AMR

Adaptive MultiRate

Đa tốc độ thích ứng

ARQ

Automatic Repeat-Request

Yêu cầu phát lại tự động

ASN

Access Service Network

Mạng dịch vụ truy nhập

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dị bộ

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha hai trạng thái

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CC

Convolutional Code

Mã xoắn

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra vòng dư

DCH

Dedicated Channel

Kênh điều khiển

DPCCH

Dedicated Physycal Control

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPDCH

Channel

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng

DSSS

Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuổi trực tiếp

Thế hệ thứ ba

E - AGCH Enhanced Absolute Grant Channel
EDGE

Enhanced Data rates for GPRS

Kênh cho phép tuyệt đối tăng
cường
Tốc độ số liệu tăng cường để
phát

Evolution

triển GPRS
iii

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Kênh riêng tăng cường

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khển riêng tăng cường
E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cường
EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

E-RGCH

Enhanced Relative Grant Channel

Kênh cho phép tương đối tăng

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia tần số

HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ
cao
Institute of Electrical and
IEEE
Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử
Electronics Engineers
IMT-2000

International Mobile

Thông tin di động quốc tế 2000

Telecommunications 2000

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IR

Incremental Redundancy

Phần dư tăng

Iu

Giao diện được sử dụng để thông tin giữa RNC và mạng lõi

Iub

Giao diện được sử dụng để thông tin giữa Node B và RNC

Iur

Giao diện để thông tin giữa RNC với nhau

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAC

Medium Acces Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MIMO

Multi-Input Multi-Output

Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra

MIP

Mobile IP

IP di động

MSC

Mobile Services Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần

Multiple Access

số trực giao

PDCP

Packet-Data Convergence Protocol

Giao thức hội tụ số liệu

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

QAM

Radio Acces Network

Mạng truy nhập vô tuyến

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

OFDMA

iv

QPSK

Quatrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha vuông góc

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

R-SGW Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RTP

Real Time Protocol

Giao thức thời gian thực

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SHO

Soft Handover

Chuyển giao mềm

SIM

Subscriber Identity Module

Modul nhận dạng thuê bao

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo thời gian

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Mulptiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TFC

Transport Format Combination

TFCI
TrCH

Transport Format Combination
Indicator
Transport Channel

Kết hợp khuôn dạng truyền tải
Chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải
Kênh truyền tải

T-SGW Transport Signalling Gateway

Cổng báo hiệu truyền tải

TTI

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian phát

UE

User Equipment

Thiết bị người sử dụng

UMTS
UTRAN
VoIP
WCDMA
WiFi
WiMAX

Universal Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Telecommunications System

UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Network

UMTS

Voice over IP

Thoại trên IP

Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã băng
Access

rộng

Wireless Fidelitity

Chất lượng không dây cao

Worldwide Interoperability for
Microwave Access
v

Tương hợp truy nhập vi ba toàn cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các bước phát triển mạng thông tin di động [1]..............................................2
Bảng 1.1 So sánh các công nghệ và tốc độ truyền dữ liệu.............................................3
Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống WCDMA....................................................6
Hình 1.2. Cấu trúc kênh của WCDMA...........................................................................6
Hình 2.1 Lộ trình phát triển của HSPA theo 3GPP......................................................11
Hình

2.2

Triển

khai

HSPA

với

sóng

mang

riêng

(f2)

hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1)...................................................................11
Hình 2.3 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện khác nhau................................12
Hình 2.4 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 [4]...............................................................13
Hình 2.5 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 [4]................................................................15
Hình 2.6 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6 [4]......................................................16
Hình 2.7 Kiến trúc HSPA/WCDMA với 1 đường hầm trực tiếp.................................17
Hình 2.8 Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ.........................18
Hình 2.9 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDM.........................19
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của HSDPA [3]........................................................20
Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp[3]......................21
Hình 2.11 Kiến trúc giao thức người dùng trong HSDPA...........................................22
Hình 2.12 Cấu trúc lớp MAC – hs................................................................................23
Hình 2.13 Giao diện vô tuyến của HSDPA.................................................................24
Hình 2.15 Điều khiển công suất phát kênh HS-SCCH.................................................27
Hình 2.16 Sơ đồ giải thuật điều khiển công suất kênh HS-SCCH...............................28
Hình 2.17 Cấu trúc khung kênh HS-DSCH.................................................................29
Hình 2.18 Quá trình mã hóa kênh HS-DSCH..............................................................30

Hình 2.19 Bộ mã hóa Turbo và đục lỗ [3]...................................................................31

Hình 2.20 Cấu trúc khung HS-DPCCH........................................................................33

vi

Hình 2.21 Định thời kênh HS-DPCCH [3]...................................................................34
Bảng 2.2 Mã hóa các bản tin báo nhận ACK/NACK..................................................34
Hình 2.22. Quá trình mã hóa kênh HS-DPCCH...........................................................34
Hình 2.23 Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA.........................................................35
Hình 2.24 Nguyên lý lập biểu phụ thuộc kênh.............................................................36
Bảng 2.3 Phân loại các thiết bị đầu cuối HSDPA.........................................................38
Hình 2.25 Nguyên lý thích ứng kênh truyền................................................................41
Bảng 2.5 Các giá trị CQI cho UE loại 10.....................................................................41
Hình 2.26 Cơ chế phát lại của R99 và HSDPA [3].....................................................43
Hình 2.28 Kết hợp kiểu Chase.....................................................................................46
Hình 2.29 Kết hợp kiểu tăng phần dư...........................................................................47

Hình 2.30. Kiến trúc HSUPA được lập cấu hình E-DCH [3].......................................49
Hình 2.31 So sánh quá trình xử lý kênh truyền tải của HSUPA và R3DCH [3].........50
Bảng 2.6 Nấc tốc độ bit kênh vật lý cho DPDCH và E-DPDCH................................51
Bảng 2.7 So sánh các đặc tính giữa DPDCH và E-DPDCH........................................52
Hình 2.32 Cấu trúc khung E-DPDCH..........................................................................53
Bảng 2.8 Định dạng khe của E-DPCCH......................................................................53
Hình 2.33 Cấu trúc khung E-DPCCH..........................................................................54
Hình 2.34 Mã hóa E-DPCCH......................................................................................54
Bảng 2.9 Chuyển đổi ACK/NAK vào giá trị kênh.....................................................55

Hình 2.35 Cấu trúc khung E-HICH/E-RGCH..............................................................55

Bảng 2.10 Chuyển đổi bản tin điều khiển công suất tương đối vào giá trị E-RGCH...57
Hình 2.36 Ghép các kênh E-HICH và E-RGCH..........................................................57
Hình 2.37 Cấu trúc mã hóa E-AGCH...........................................................................58
Hình 2.38 Cấu trúc khung vô tuyến E-AGCH [3].......................................................59
Hình 2.39 MAC-e và xử lý lớp vật lý..........................................................................60

vii

Hình 2.40 Tổng quan hoạt động lập biểu [3]................................................................63
Hình 2.41 HARQ đồng bộ và HARQ không đồng bộ [3]...........................................66
Hình 2.42 Nhiễu xử lý HARQ cho HSUPA [3]..........................................................67
Hình 2.43 Ví dụ về các phát lại trong chuyển giao mềm [1].......................................68
Bảng 3.1 Phân vùng hình thái phủ sóng.......................................................................76
Bảng 3.2 Tỷ lệ thuê bao 3G và HSDPA dự kiến..........................................................77
Bảng 3.3 Các thông số tiêu chuẩn cho thử nghiệm cho chuẩn giao tiếp WCDMA FDD
......................................................................................................................................78
Bảng 3.4 Các thông số tiêu chuẩn cho thử nghiệm cho chuẩn giao tiếp WCDMA TDD
......................................................................................................................................78
Bảng 3.5 So sánh giải pháp mà Alcatel và Ericsson đưa ra.........................................78
Bảng 3.6 Cấu hình hệ thống cho 5 trung tâm chính.....................................................81
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng.......................................................................................86
Hình 4.3 Thông lượng hệ thống với kênh Rayleigh.....................................................88
Hình 4.4 Tỉ lệ lỗi bit với môi trường AWGN..............................................................88

viii

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Trong chương này trình bày một số đặc điểm về lịch sử phát triển của các hệ
thống điện thoại di động, Đi vào tìm hiểu về mạng di động 3G, các nền tảng công
nghệ của HSPA như WCDMA UMTS, trình bày về các ứng dụng và hạn chế, cải
tiến của công nghệ 3G để từ đó có sự so sánh giữa công nghệ sử dụng trước đó và
công nghệ HSPA mà em đang nghiên cứu.
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống di động
Thế hệ điện thoại di động đầu tiên (1G) ra đời trên thị trường vào những năm
70/80. Đấy là những điện thoại anolog sử dụng kỹ thuật điều chế radio gần giống
như kỹ thuật dùng trong radio FM. Trong thế hệ điện thoại này, các cuộc thoại
không được bảo mật. Thế hệ 1G này còn thường được nhắc đến với "Analog
Mobile Phone System (AMPS)". Mốc thời gian đánh dấu sự ra đời của 2G, điện
thoại kỹ thuật số (digital) là đầu những năm 90. Chuẩn kỹ thuật số đầu tiên là DAMPS sử dụng TDMA (Time division Mutiple Access). Tiếp theo sau là điện thoại
2G dựa trên công nghệ CDMA ra đời. Sau đó Châu Âu chuẩn hóa GSM dựa trên
TDMA. Cái tên GSM ban đầu xuất phát từ "Groupe Speciale Mobile" (tiếng Pháp),
một nhóm được thành lập bởi CEPT, một tổ chức chuẩn hóa của Châu Âu, vào năm
1982. Nhóm này có nhiệm vụ là chuẩn hóa kỹ thuật truyền thông di động ở bãng
tầng 900MHz. Sau đó,GSM được chuyển thành Global System for Mobile
Communication vào năm 1991 như là một tên tắt của công nghệ nói trên.
Năm 2001, để tăng thông lường truyền để phục vụ nhu cầu truyền thông tin
(không phải thoại) trên mạng di động, GPRS đã ra đời. GPRS đôi khi được xem
như là 2.5G. Tốc độ truyền data rate của GSM bằng 9.6Kbps. GPRS đã cải tiến tốc
độ truyền tăng lên gấp 3 lần so với GSM, tức là 20-30Kbps. GPRS cho phép phát
triển dịch vụ WAP và internet (email) tốc độ thấp.
Tiếp theo sau, 2003, EDGE đã ra đời với khả năng cung ứng tốc độ lên được
250Kbps (trên lý thuyết). EDGE còn được biết đến như là 2.75G (trên đường tiến tới 3G).
Cụm từ điện thoại di động 3G ngày nay đã trở nên quen thuộc với người
1

dùng di động. 3G là viết tắt của third-generation technology là chuẩn và công nghệ

truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền ngoài dữ liệu chuẩn là đàm thoại còn có
thể truyền dữ liệu phi thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, nhạc,
internet...). Công nghệ 3G vừa cho phép triển khai những dịch vụ cao cấp vừa làm
tăng dung lượng của mạng điện thoại nhờ vào việc sử dụng hiệu quả hiệu suất phổ.

Hình 1.1 Các bước phát triển mạng thông tin di động [1]
Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video hoặc khả năng truy nhập
internet thường được xem là một ví dụ tiêu biểu về dịch vụ cao cấp mà các nhà
cung cấp dịch vụ muốn cung cấp cho khách hàng. Tuy nhiên tần số vô tuyến nói
chung là một tài nguyên đắt đỏ, giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước,
nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ euro cho chính phủ. Bởi vì chi
phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu
nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây
dựng mạng 3G. Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài
chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ
Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển
hạ tầng cơ sở IT quốc gia được đặt ưu tiên cao.
Nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi là Nhật
Bản. khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, mạng 2G đang dần
biến mất tại Nhật Bản.
Với 3G, chúng ta sẽ có một số tên gọi liên quan như: công nghệ (nền tảng) 3G,
mạng 3G, chuẩn 3G. Công nghệ 3G và chuẩn 3G có thể coi là một, trong khi mạng

2

3G là mạng di động ứng dụng những công nghệ 3G. Trước đây, chuẩn 3G là một
chuẩn đơn lẻ, duy nhất và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Tuy nhiên, càng
về sau này, 3G càng được phân chia thành nhiều chuẩn khác khác, tuỳ thuộc vào khả
năng nghiên cứu của các nhà cung cấp dịch vụ. Trong tương lai không xa, có thể là

một hoặc hai ba năm nữa, mạng di động sẽ trở thành một mạng truyền dữ liệu tốc độ
cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Để có thể thực hiện được các
khả năng này, mạng di động phải dựa vào những nền tảng công nghệ mới – 3G, 3,5G
và 4G – hay còn gọi là các nền tảng công nghệ di động tương lai.
Bảng 1.1 So sánh các công nghệ và tốc độ truyền dữ liệu
Công nghệ
1G

AMPS

Tốc độ

Tính năng
Analog (chỉ có chức năng
thoại)

Không có

- Thoại
- GSM
2G

- CDMA

- SMS
Nhỏ hơn 20Kbps

- iDen

- Gọi hội nghị

- Caller ID
- Push – to - talk
- MSM
- Ảnh

- GPRS
2.5G

- 1xRTT
- EDGE

- Trình duyệt Web

Từ
30Kbps – 90Kbps

- Audio/Video clip
- Game
- Tải các ứng dụng và nhạc
chuông
- Video chất lượng cao

3G

- UMTS
- 1xEV-DO

Từ

- Nhạc “streaming”

144Kbps − 2Mbps

- Game 3D
- Lướt web nhanh

3.5G

- HSPA
- 1xEV-DV

Từ

- Video theo yêu cầu (VOD)

384Kbps − 14.4Mbps

3

- Video hội họp

1.2. Các tiêu chuẩn của mạng di động 3G
3G bao gồm 3 chuẩn chính là :
• W-CDMA
•

CDMA2000

• TDSCDMA.

Trong đó, chuẩn W-CDMA có hai chuẩn con thành phần là:
• UMTS
• FOMA.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): là chuẩn liên lạc di
động 3G song hành với cùng với chuẩn GSM. W-CDMA là công nghệ nền tảng cho
các công nghệ 3G khác như UMTS và FOMA.W-CDMA được tập đoàn ETSI NTT
DoCoMo (Nhật Bản) phát triển riêng cho mạng 3G FOMA. Sau đó, NTT Docomo
đã trình đặc tả này lên Hiệp hội truyền thông quốc tế (ITU) và xin công nhận dưới
danh nghĩa một thành viên của chuẩn 3G quốc tế có tên IMT-2000. ITU đã chấp
nhận W-CDMA là thành viên của IMT-2000 và sau đó chọn W-CDMA là giao diện
nền tảng cho UMTS.
UMTS: UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa trên công nghệ
W-CDMA, là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM.
UMTS do tổ chức 3GPP quản lý. 3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các
chuẩn mạng di động như GSM, GPRS và EDGE. Sự phát triển liên tục các tiêu
chuẩn kỹ thuật trên được thể hiện bằng 4 mô thức về tiêu chuẩn UMTS của tổ chức
3GPP là: R99, R4, R5 và R6, tạo thành một bộ tiêu chuẩn đồ sộ nhưng trong nó lại
gồm những hệ tiêu chuẩn tương đối độc lập. WCDMA là một tiêu chuẩn về giao
diện không gian đầu tiên, sớm nhất và hoàn thiện nhất trong các hệ tiêu chuẩn đó và
được các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thông ở cả 3 châu lục: Âu, Á, Mỹ
sử dụng rộng rãi. UMTS cũng là dòng công nghệ chiếm thị phần lớn nhất trên thị
trường thông tin di động ngày nay (chiếm tới 85,4% theo GSA 8-2007).
Hiện nay, mạng UMTS có thể nâng cấp lên High Speed Downlink Packet
Access (HSDPA) - còn được gọi với tên 3,5G. HSDPA cho phép đẩy nhanh tốc độ
tải đường xuống với tốc độ lên tới 10 Mbps.

4

1.3. Các tham số chính của WCDMA

WCDMA là hệ thống sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp. Nghĩa là luồng thông
tin được trải trên một băng thông rộng bằng việc nhân luồng dữ liệu này với một
chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN. Để có thể hỗ trợ việc truyền dữ liệu ở tốc độ
cao, hệ số trải phổ (SF) thay đổi và kết nối dựa trên nhiều mã trải phổ được hỗ trợ
trong WCDMA.
Tốc độ chip sử dụng trong WCDMA có tốc độ 3.84 Mps tương ứng với băng
tần truyền dẫn WCDMA là 5 MHz (đối với CDMA2000 băng tần truyền dẫn có thể
là 3x1.25 Mhz hoặc 3.75 MHz). Băng thông truyền dẫn lớn của WCDMA ngoài
việc nhằm hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao còn mang lại một vài ưu điểm khác như:
tăng hệ số phân tập đa đường.
WCDMA hỗ trợ truyền dẫn tốc độ thay đổi, hay nói cách khác là khái niệm
sử dụng băng thông theo nhu cầu có thể được thực hiện. Trong một khung truyền
dẫn thì tốc độ dữ liệu là cố định. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu giữa các khung truyền
dẫn khác nhau có thể giống nhau hoặc khác nhau.
WCDMA có hai chế độ hoạt đông đó là FDD và TDD. Đối với FDD thì các cặp
tần số sóng mang với độ rộng 5 MHz được sử dụng cho kênh truyền dẫn hướng lên và
hướng xuống một cách tương ứng. Trong khi đó ở chế độ TDD thì chỉ có một sóng
mang độ rộng 5 MHz được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống theo kiểu phân
chia theo thời gian. TDD được sử dụng ở giải băng tần không chia cặp được.
Các BTS trong WCDMA (Node B) hoạt động ở chế độ không đồng bộ. Do
đó không cần cung cấp một nguồn đồng hồ đồng bộ cho tất cả các BTS trong mạng
ví dụ như sử dụng GPS. Chế độ làm việc không đồng bộ này giúp cho WCDMA trở
nên dễ triển khai ở cấu hình indoor và micro cell.
WCDMA sử dụng tách sóng nhất quán trên cả hai hướng lên và xuống sử
dụng các ký hiệu dẫn đường. Chế độ tách sóng này đã được sử dụng trên đường
xuống đối với mạng 2G IS-95.
WCDMA được thiết kế để có thể triển khai bên cạnh hệ thống GSM thế hệ 2.
Nghĩa là WCDMA có thể hỗ trợ chuyển giao giữa hai hệ thống WCDMA và GSM
nhằm đảm bảo có một sự dịch chuyển mềm dẻo khi triển khai mạng 3G-WCDMA.

5

Bảng 1.2 Các thông số chính của hệ thống WCDMA
Băng tần kênh

1,25Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 20Mhz

Cấu trúc kênh hướng xuống

Trải phổ trực tiếp

Tốc độ chíp

1,024)a/4,096/8,192/16,384

Lặp

0.22

Độ dài khung

10ms/20ms
QPSK cân bằng (hướng xuống)

Điều chế trải phổ

QPSK kép (hướng lên)
Mạch truyền phức hợp
QPSK (hướng xuống)

Điều chế dữ liệu
Đa tốc độ

QPSK (hướng lên)
Trải phổ biến đổi và đa mã

Hệ số trải phổ

4 – 256

Điều khiển công suất

Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ 1,6KHz)
Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã

Trải phổ (hướng lên)

Gold 218
Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã

Trải phổ (hướng xuống)

Gold 241
Chuyển giao mềm (Soft handoff)

Chuyển giao

Chuyển giao khác tần số

1.4. Các kênh cơ bản của W-CDMA
Lớp 3

RRC
Kênh logic
Lớp MAC

Lớp 2

Kênh Truyền tải
Lớp Vật lý

Lớp 1

Kênh Vật lý

Hình 1.2. Cấu trúc kênh của WCDMA
Từ hình 1.2 cho ta cái nhìn tổng quan về các kênh được sử dụng trong
WCDMA gồm 3 kênh cơ bản:
6

- Kênh logic
- Kênh truyền tải
- Kênh vật lý- Kênh logic: Miêu tả loại thông tin sẽ được truyền đi. Mặc dù
gọi là "kênh" nhưng nó không phải là kênh theo giống nghĩa như kênh vật lý,
kênh vận tải. Kênh logic có thể hiểu là những công việc mà mạng và thiết bị cần
phải thực hiện tại những thời điểm khác nhau. Các kênh logic này cũng có thể xem
như là dịch vụ mà lớp MAC cung cấp cho lớp RLC ở trên nó.
Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: Kênh điều

khiển ( BCCH, PCCH, DCCH, CCCH, SHCCH) và kênh lưu lượng( DTCH, CTCH).
- Kênh vận tải: Qui định bằng cách nào và với đặc trưng gì thông tin sẽ được
truyền đi. Đây là dịch vụ mà lớp vật lý cung cấp cho lớpMAC ở trên nó.
Kênh truyền tải mang các thông số, đặc tính cần thiết để truyền tải các thông
tin dữ liệu qua mạng. Các kênh truyền tải được hình thành nhờ việc sắp xếp các
kênh logic. Có 2 loại kênh truyền tải :
+ Kênh truyền tải riêng DCH: mang thông tin điều khiển cho riêng một MS
với mang DCH-UL, DCH-DL.
+ Kênh truyền tải chung CCH : dùng chung cho tất cả các MS
- Kênh vật lý: Chính là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi. Kênh vật lý
được quản lý và xử lý tại lớp vật lý. Việc xử lý ở đây thực hiện những kỹ thuật biến
đổi cần thiết nhằm tương thích đặc tính truyền dẫn vô tuyến và đảm bảo chất lượng
tín hiệu cao nhất. Kênh vật lý chia làm hai loại kênh chính:
+ Kênh đường lên gồm DPDCH (truyền dữ liệu), DPCCH (truyền báo hiệu)
và một kênh truy cập chung RACH.
+ Kênh đường xuống gồm kênh vật lý điều khiển chung CCPCH, kênh đồng bộ
SCH (cung cấp định thời cho MS), và kênh PRACH (mang thông tin suy xuất mạng).
Việc phân ra các loại kênh khác nhau giống việc phân lớp trong mạng,
giúp cho dễ quản lý và điều khiển. Cứ ứng với mỗi loại thông tin kèm theo những
đặc trưng của nó, mạng sẽ tự động truy cập vào các kênh tương ứng để gửi thông tin
đi một cách hiệu quả nhất.
1.5. Các bước cải tiến của công nghệ WCDMA

7

Các dịch vụ di động 3G giúp người tiêu dùng và các nhà chuyên nghiệp trải
nghiệm chất lượng thoại ưu hạng, cùng với rất nhiều dịch vụ dữ liệu hấp dẫn như:
• Kết nối Internet di động
• Email di động

• Các dịch vụ đa phương tiện, như ảnh kỹ thuật số và phim được thu và chia
sẻ qua các thiết bị cầm tay di động.
• Download các ứng dụng di động
• Video-theo-yêu cầu
• Chơi game online
• Các dịch vụ khẩn cấp và định vị nâng cao
• Các dịch vụ nhắn tin bấm-để-nói và bấm-để-xem video có thời gian chờ thấp.
Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến
WCDMA và CDMA2000 đang được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới. Tính
đến thời điểm tháng 12 năm 2005 đã có hơn 160 hệ thống 3G được đưa vào sử dụng
trên phạm vi 75 quốc gia với tổng số thuê bao lên đến 230 triệu. Tuy ở phiên bản
đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cải thiện đáng kể.
Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps. Nhưng khi các dịch vụ số liệu được
đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thì dung lượng, tốc độ vẫn là những
đòi hỏi cần phải được giải quyết. Do đó, bước cải tiến đầu tiên đối với WCDMA
được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-DSCH ở R5 được hoàn
thành vào đầu năm 2002. Những cải tiến trong R5 này thường được nhắc đến với
một tên gọi "HSPA- Kênh truy nhập tốc độ cao". Sự ra đời của HSPA nhằm hỗ trợ
mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương
tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming. Truy nhập dữ liệu kênh đường xuống tốc độ
cao HSDPA có khả năng cung cấp dung lượng cao hơn 50% so với kênh
DCH/DSCH trong R99 với trường hợp Marcrocell và 100% đối với Microcell, tốc
độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14 Mbps. Qua thực tế triển khai các mạng di
động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ số liệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn
trên hai hướng từ MS đến Node B và ngược lại có tốc độ tương đương nhau như các
dịch vụ real-time gaming và các dịch vụ trên nền TCP/IP. Trong khi đó, R5 mới chỉ
đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫn bất đối xứng với tốc độ truyền
dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so với kênh đường lên. Nhược điểm
này của R5 được khắc phục trong R6 được hoàn thành vào đầu năm 2005 với tên
8

gọi cải tiến kênh đường lên và là bước cải tiến thứ 2 đối với chuẩn mạng truy nhập
vô tuyến WCDMA. Những cải tiến trong R6 đã nâng tốc độ truyền dẫn trên kênh
đường lên đạt đến tốc độ 5.76 Mbps dung lượng kênh tăng lên gấp 2 lần so với kênh
truyền tải đường lên trong R99. Ba mục tiêu chính của hai bước cải tiến trong R5 và
R6 đó là:
- Nâng cao tốc độ truyền dẫn trên cả hai hướng.
- Tăng dung lượng của mạng trên một đơn vị tài nguyên vô tuyến định trước.
- Giảm trễ truyền dẫn cho cả hai hướng.
Mục tiêu thứ 3 được thực hiện thông qua việc đưa một số chức năng lớp
MAC đến gần hơn với giao diện vô tuyến. Ví dụ như chuyển chức năng truyền dẫn
lại từ RNC đến Node B. Hơn thế nữa giảm thời gian của khung truyền dẫn cũng là
một giải pháp để giảm trễ. Cụ thể khung thời gian truyền dẫn TTI của kênh DCH
trong R99 là từ 10-80 ms trong khi đó khoảng thời gian này được giảm xuống còn 2
ms trong HS-DSCH của R5. Hoặc như với kênh đường lên cải tiến trong R6, ngoài
hỗ trợ khung truyền dẫn 10 ms ở phiên bản trước, khung truyền dẫn 2 ms cũng được
sử dụng trong phiên bản này nhằm đạt được mục tiêu thứ 3 nếu trên.
Mục tiêu 1 và 2 được thực hiện thông qua kỹ thuật thích ứng kênh bao gồm
thay đội tỷ lệ mã của mã sửa lỗi kênh, chọn chùm tín hiệu điều chế phù hợp với
điều kiện kênh truyền, điều khiển thu phát theo sự thay đổi của kênh truyền dẫn.
Điểm đáng chú ý là tăng ích của kỹ thuật thích ứng kênh không chỉ mạng lại lợi ích
cho các nhà vận hành mạng như ở các phiên bản trước mà còn mang lại lợi ích cho
khách hàng sử dụng các máy di động có tính năng xử lý tín hiệu tốt. Lợi ích này còn
là xúc tác cho việc đẩy nhanh tốc độ tiêu thụ các sản phẩm máy di động cầm tay
công nghệ cao của các nhà sản xuất.
Ngoài ra, tự động yêu cầu truyền dẫn lại cũng là một trong ba kỹ thuật then
chốt được sử dụng tại lớp vật lý để đạt được cả 3 mục tiêu đã nêu trên thông qua việc
tận dụng kết thúc truyền dẫn sớm, được xử lý tại node B gần với giao diện vô tuyến.
1.6. Kết luận chương 1

Như vậy trong chương 1 em đã trình bày một cách tổng quát nhất về các hệ
thống thông tin di động, đi vào nghiên cứu các chỉ tiêu công nghệ đã được áp dung,
các đặc tính kỹ thuật đặc trưng của mạng di động 3G để có cái nhìn toàn diện hơn
về hệ thống tạo tiền đề để đi sâu vào nghiên cứu chi tiết các đặc điểm kỹ thuật của
công nghệ HSPA trong chương II.
9

Nghiên cứu công nghệ HSPA và ứng dụng HSPA vào mạng di động 3G của VMS Mobifone

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về