Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 WCDMA VÀ HƯỚNG NÂNG CẤP LÊN 3,5G hsdpa MỤC LỤC Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Sinh viên thực hiện: TRẦN PHI HÙNG Lớp 46K - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: KS. ĐẶNG THÁI SƠN 1 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG 3G UMTS WCDM .1 1.1. Khái quát chung về thống thông tin di động thế hệ ba 1 1.2. Các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba .3 1.3. Phân bố phổ tần cho ITM-2000 .4 1.4. Lộ trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA 5 1.5. Quá trình phát triển của các mạng UMTS WCDMA .8 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 WCDMA .16 2.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA 16 2.2. Chức năng của các phần tử trong WCDMA 16 2.2.1. Mạng thâm nhập vô tuyến .18 2.2.2. Mạng lõi 19 2.2.3. Thiết bị người sử dụng 21 2.3. Giao diện giữa các phần tử trong hệ thống WCDMA .21 2.3.1.Mô hình giao thức tổng quát đối với các giao diện mặt đất UTRAN 21 2.3.2. Giao diện UTRAN-CN, Iu .24 2.3.3. Các giao diện trong UTRAN .27 2.4. Giao diện vô tuyến của WCDMA 29 2.5. Các kênh truyền tải 31 2.5.1. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 31 2.5.2. Cấu trúc các kênh vô tuyến lớp vật lý .33 2.6. Chuyển giao .38 2.6.1. Mục đích của chuyển giao 38 2.6.2. Trình tự chuyển giao .39 2.6.3. Các loại chuyển giao 42 2.7. Điều khiển công suất 44 2.7.1. Điều khiển công suất vòng mở 45 2.7.2. Điều khiển công suất vòng kín 46 2.7.3. Các trường hợp điều khiển công suất đặc biệt .47 2.8. Hạn chế của hệ thống 3G và những yếu tố thúc đẩy 3,5G .49 CHƯƠNG 3:HỆ THỐNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN 3,5G VỚI CÔNG NGHỆ HSDPA 50 3.1. Giới thiệu .50 Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 2 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA 3.2. Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA 52 3.3. Cấu trúc HSDPA 53 3.3.1. Giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH .54 3.3.2. Cấu trúc kênh mới trong HSDPA 54 3.4. Điều chế và mã hóa thích ứng, kỹ thuật phát đa mã 57 3.5. Lịch biểu nhanh 60 3.6. HARQ nhanh .62 3.7. Dung lượng UE 64 3.8. Nhận xét .65 3.8.1. Cải thiện dung lượng hệ thống .65 3.8.2. Giảm thời gian truy nhập .65 3.8.3. Khả năng tích hợp với WCDMA .66 3.8.4. Xu hướng phát triển HSDPA .67 3.9. Nâng cấp thiết bị 67 3.9.1. Kiến trúc MAC phía UE 69 3.9.2. Kiên trúc MAC phía UTRAN 70 3.10. Kết luận 72 KẾT LUẬN .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)… WCDMA là nhánh công nghệ 3G được phát triển dựa trên cơ sở hệ thống thông tin di động 2G GSM. Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 3 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh giá là sự lựa chọn tối ưu cho hệ thống truy nhập vô tuyến ITM-2000. Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng yêu cầu của hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Tốc độ truyền số liệu của WCDMA là khá lớn, có thể lên tới 2Mbps. Tuy nhiên, khi nhu cầu về truyền số liệu ngày càng lớn, thì nó yêu cầu tốc độ truyền số liệu ngày càng cao, và tốc độ 2Mbps là chưa đáp ứng được yêu cầu. Do đó, cần tìm ra một giải pháp để làm tăng tốc độ truyền số liệu, mà trước hết là tăng tốc độ truyền số liệu đường xuống, dựa trên nền WCDMA. Truy cập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Nội dung đồ án bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G UMTS WCDMA Chương 2: Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA Chương 3: Hệ thống truy nhập vô tuyến 3,5G với công nghệ HSDPA Em xin chân thành cảm ơn KS. Đặng Thái Sơn, và các thầy cô giáo trong khoa đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này! Vinh, ngày 16 tháng 05 năm 2010 Sinh Viên thực hiện Trần Phi Hùng Chương 1. Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G UMTS WCDMA 1.1. Khái quát chung về thông tin di động thế hệ thứ ba Sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ số liệu mà trước mắt là IP đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ thứ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không đáp ứng được các dịch vụ mới này. Trong bối cảnh đó, ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hoá hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000. IMT-2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và bao phủ một vùng rộng lớn các phương tiện thông tin. Mục đích của ITM- 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 4 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. Thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) xây dựng trên cơ sở ITM-2000 đã được đưa vào phục vụ từ năm 2001 ở một số nước. Các hệ thống 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: tiếng, số liệu tốc độ thấp và cao, đa phương tiện, video của người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, các phương tiện vận tải…). Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000: *Sử dụng dải tần qui định quốc tế 2GHz như sau: - Đường lên : 1882-2025 MHz - Đường xuống : 2110-2200 MHz *Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến : - Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến - Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông *Sử dụng các phương tiện khai thác khác nhau: - Trong công sở - Ngoài đường - Trên xe - Vệ tinh *Có thể hỗ trợ các dịch vụ như sau: - Các phương tiện tại nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu . - Đảm bảo chuyển mạng quốc tế. - Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. - Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. * Môi trường hoạt động của IMT – 2000 được chia thành 4 vùng với các tốc độ bit R phục vụ như sau: - Vùng 1: trong nhà, ô pico, R<= 2Mbps - Vùng 2: thành phố, ô micro, R<= 384 Kbps - Vùng 3: ngoại ô, ô macro, R<= 144 Kbps - Vùng 4: toàn cầu, Rb= 9,6 Kbps Tổng kết các dịch vụ do ITM 2000 cung cấp ở bảng 1.1 Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 gồm GSM, IS - 36, IS - 95, CDMA và PDC. Trong quá trình thiết kế các hệ thống thông tin di động thế hệ 3, các Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 5 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA hệ thống thế hệ 2 đã được các cơ quan tiêu chuẩn hoá của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương thích. Các công nghệ được nghiên cứu để đưa ra đề xuất cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gồm: - W-CDMA (Wideband CDMA: CDMA băng rộng) - W-TDMA (Wideband TDMA: TDMA băng rộng) - TDMA/CDMA băng rộng - OFDMA (Orthogonal FDMA: FDMA trực giao) - ODMA. Bảng 1.1. Phân loại các dịch vụ ở IMT-2000 Kiểu Phân loại Dịch vụ di động Dịch vụ di động Dịch vụ di động - Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch vụ Dịch vụ thông tin định vị - Theo dõi di động/theo dõi di động thông minh Dịch vụ viễn thông Dịch vụ âm thanh (audio) - Dịch vụ âm thanh chất lượng cao(16-64Kbps) - Dịch vụ truyền thanh AM (32-64Kbps) - Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 Kbps) Dịch vụ số liệu - Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64- 144Kbps) - Dịch vụ số liệu tương đối cao (144Kbps- 2Mbps) - Dịch vụ số liệu tốc độ cao(>=2Mbps) Dịch vụ đa phương tiện - Dịch vụ video (384 Kbps) - Dịch vụ hình chuyển động (384 Kbps-2Mbps) - Dịch vụ hình chuyển động thời gian thực (>=2Mbps) Dịch vụ Internet Dịch vụ Internet đơn giản Dịch vụ truy cập Web (384 Kbps-2Mbps) Dịch vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet (384Kbps-2Mbps) Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 6 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA Dịch vụ Internet đa phương tiện Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực (>=2Mbps) 1.2. Các yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ ba Sự phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ ba ngoài việc giải quyết những vấn đề mà hệ thống thông tin di động thế hệ hai chưa thực hiện được còn phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của con người đối với khả năng truyền số liệu. Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba phải thực hiện được những mục tiêu cơ bản sau: + Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu. + Có khả năng truyền tải đa phương tiện: Hệ thống thông tin di động trong tương lai có thể thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps. + Tăng dịch vụ chuyển mạch gói: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chỉ có phương thức chuyển mạch kênh truyền thống, hiệu suất kênh tương đối thấp. Trong khi đó, hệ thống thông tin di động thế hệ ba tồn tại đồng thời cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. + Tăng phương thức truyền tải không đối xứng: Do dịch vụ số liệu mới như WWW có đặc tính không đối xứng: Truyền tải đường lên thường chỉ cần vài nghìn bit/s, còn truyền tải đường xuống có thể cần vài trăm nghìn bit/s. Trong khi đó, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai chỉ hỗ trợ dịch vụ đối xứng. + Khả năng tăng cường số liệu: Hệ thống thông tin di động trong tương lai sẽ nâng cao hơn về phương diện WWW và khả năng truyền số liệu so với hệ thống thông tin di động thế hệ hai. + Chất lượng truyền và chất lượng dịch vụ không thua kém mạng cố định: Hệ thống thông tin di động trong tương lai làm cho chất lượng truyền tải đạt đến hoặc gần đến chất lượng của hệ thống hữu tuyến, có thể cung cấp tốc độ truyền là 144Kbps cho người đi xe, 384Kbps cho người đi bộ và 2Mbps cho người sử dụng trong nhà. + Nâng cao tuổi thọ của acquy: Công nghệ tích hợp tiêu hao công suất thấp đang được nghiên cứu và hy vọng có thể được sử dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo. Kỹ thuật tích Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 7 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA hợp silic xạ tần là hướng phát triển quan trọng khác có thể giảm thể tích, trọng lượng và sự tổn hao năng lượng của hệ thống. + Hiệu suất phổ tần cao hơn: Qua việc ứng dụng những kỹ thuật mới như: điều khiển công suất nhanh, chuyển giao mềm, hệ thống anten thông minh… đã nâng cao hiệu suất phổ của hệ thống mới một cách hiệu quả. + Hiệu suất kênh cao hơn. 1.3. Phân bố phổ tần cho ITM-2000 Châu Âu sử dụng hệ thống thế hệ hai là DCS 1800 ở băng tần 1710-1755MHz cho đường lên và 1805-1850 cho đường xuống. Ở châu Âu và hầu hết các nước châu Á băng tần ITM-2000 là 2x60Mhz (1920-1980 MHz và 2110-2170MHz) có thể sử dụng cho WCDMA FDD. Băng tần sử dụng cho TDD ở châu Âu thay đổi, băng tần được cấp giấy phép có thể là 25MHz cho sử dụng TDD ở 1900-1920MHz và 2020- 2025MHz. Băng tần cho các ứng dụng TDD không cần xin phép có thể là 2010- 2020MHz. Các hệ thống FDD sử dụng băng tần khác nhau cho đường lên và đường xuống, còn hệ thống TDD sử dụng cùng tần số cho cả đường lên và đường xuống. Nhật sử dụng hệ thống thế hệ hai là PDC, còn Hàn Quốc sử dụng hệ thống thế hệ hai là IS-95 cho cả khai thác tổ ong lẫn PCS, ấn định phổ PCS của Hàn Quốc khác với ấn định phổ PCS của Mỹ nên Hàn Quốc có thể sử dụng toàn bộ phổ tần quy định của ITM-2000. Ở Nhật một phần phổ tần của ITM-2000 TDD đã được sử dụng cho PHS. Ở Mỹ không còn phổ tần mới cho các hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Các dịch vụ của hệ thống thế hệ ba sẽ được thực hiện trên cơ sở thay thế phổ tần của hệ thống thông tin thế hệ ba bằng phổ tần của hệ thống PCS thế hệ hai hiện tại. Một số nước đã cung cấp giấy phép cho sử dụng phổ tần của ITM-2000. Giấy phép đầu tiên được Phần Lan cấp vào tháng 3/1999 và sau đó là Tây Ban Nha. Một số nước cũng có thể đi theo quan điểm cấp giấy phép giống như GSM được cấp giấy phép ở châu Âu. Tuy nhiên, một số nước bán đấu giá tần phổ cho ITM-2000 giống như Mỹ bán đấu giá phổ tần cho PCS. 1.4. Lộ trình phát triển từ GSM lên UMTS WCDMA Để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống 2G sẽ được chuyển đổi từng bước sang thế hệ 3G. Có thể tổng quát các giai đoạn chuyển đổi này ở hình 1.1 Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 8 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA Hình 1.1. Lộ trình phát triển từ GSM đến WCDMA Trong đó: - HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao. - GPRS: General Packet Radio Service: Dịch vụ vô tuyến gói chung. - EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution: Tốc độ số liệu gói tăng cường phát triển GSM. Giai đoạn đầu của quá trình phát triển GSM là phải đảm bảo dịch vụ số liệu tốt hơn. Tồn tại hai cơ chế dịch vụ số liệu: chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switched) và chuyển mạch gói (PS: Packet Switched) như sau: *Các dịch vụ số liệu chế độ chuyển mạch kênh đảm bảo: - Dịch vụ bản tin ngắn SMS (Short Message Service) - Số liệu dị bộ cho tốc độ 14,4Kbps - Fax băng tiếng cho tốc độ 14,4Kbps *Các dịch vụ số liệu chuyển mạch gói đảm bảo: - Chứa cả chế độ dịch vụ kênh - Dịch vụ Email, Internet,… - Sử dụng các chức năng IWF/PDSN như: - Cổng vào cho mạng số liệu gói - IWF/PDSN có thể đặt tại MSC hay BSC độc lập Để thực hiện kết nối vào mạng IP, ở giai đoạn này có thể sử dụng giao thức ứng dụng vô tuyến (WAP: Wireless Application Protocol). Giai đoạn tiếp theo để tăng tốc độ số liệu có thể sử dụng công nghệ số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) và EDGE. Bước trung gian này được gọi là thế hệ 2,5G. Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD) là một dịch vụ cho phép tăng tốc độ dịch vụ số liệu chuyển mạch kênh hiện nay 9,6Kbps (hay cải tiến 14,4Kbps) của GSM. Để tăng tốc độ số liệu người sử dụng có thể được cấp phát nhiều khe thời gian hơn. Có thể kết hợp động từ 1 đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ số liệu cực đại là 64Kbps cho một người sử dụng. Giao diện vô tuyến của HSCSD thậm chí còn hỗ trợ tốc độ lên đến 8x14,4 Kbps, như vậy có thể đạt đến tốc độ trên 100Kbps. Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 9 GSM HSCSD GPRS EDGE WCDMA Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3,5G HSDPA Hầu hết các chức năng của dịch vụ số liệu hiện nay được đặt ở IWF (Internetworking Function: chức năng kết nối mạng) của tổng đài MSC và ở chức năng TAF (Terminal Adaption Function: Chức năng thích ứng đầu cuối) của MS. Dịch vụ HSCSD sử dụng tính năng này. Kênh tốc độ cao chứa một số kênh con ở giao diện vô tuyến. Các kênh con này được kết hợp lại thành một luồng số ở IWF và TAF (Hình 1.2). Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống HSCSD Trong đó: - PTSN: Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng - ISDN: Mạng số liên kết đa dịch vụ - PDN: Mạng số liệu công cộng - MS: Trạm di động - BTS: Trạm thu phát gốc - BSC/TRAU: Bộ điều khiển trạm gốc/Khối chuyển mã và thích ứng tốc độ - MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động - IWF: Chức năng kết nối mạng. Một tính năng đặc biệt của HSCSD là hỗ trợ cả kết nối đối xứng (số khe phát ở đường xuống bằng số khe phát ở đường lên đối với một người sử dụng) và không đối xứng (số khe phát ở đường xuống nhiều hơn số khe phát ở đường lên). Việc sử dụng điều chế 8-PSK cho HSCSD cho phép đạt được tốc độ truyền số liệu cao hơn. Tuy nhiên, do sử dụng cơ chế chuyển mạch kênh nên hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến rất kém. Bởi khi một người dùng yêu cầu các khe thời gian, các khe này chỉ dành duy nhất cho người sử dụng đó, không được chia sẻ cho người dùng khác kể cả khi không có số liệu truyền trên đó. Do vậy, khả năng triển khai HSCSD là hạn chế. Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) Sinh viên: Trần Phi Hùng Lớp 46K-ĐTVT 10 MS I W F MSC BSC/TRAUBTS PSTN ISDN PDN TE TE MSC/VLR HLR SGSN Mạng GPRS BSS GGSN GGSN MT SGSN EIR Mạng PLMN khác A Gn Gf Gp Gn Gb Um R Gc Gr D Gs PDN SM-SC SMS_GMSC SMS-IWMSC Hình 1.3. Cấu trúc mạng GPRS . Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3, 5G HSDPA CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 WCDMA VÀ HƯỚNG NÂNG CẤP. Lớp 46K-ĐTVT 3 Cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ 3 WCDMA và hướng nâng cấp lên 3, 5G HSDPA Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA được đánh