Tìm hiểu công nghệ HSDPA và ứng dụng vào mạng di động thế hệ thứ 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG THẾ HỆ 3G

1.1 MỞ ĐẦU

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 D-AMPS 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 lượng 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 chỉ = 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 250 Kbps. 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 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 tiến hóa của mạng thông tin di động

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. Năm 2005, 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 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 nhau, 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: Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu

Thế hệ

Công nghệ

Tốc độ

Tính năng

AMPS

Không có

Analog (chỉ có chức năng

thoại)

GSM CDMA

iDen

Nhỏ hơn 20 Kbps

Thoại SMS

Gọi hội nghị Call ID

Push – to – talk

2.5G

GPRS 1xRTT EDGE

Từ 30  90 Kbps

MSM

Ảnh

Trình duyệt web Audio/Video clip Game

Tải các ứng dụng và nhạc

chuông

UMTS 1xEV – DO

Từ 144Kbps2 Mbps

Video chất lượng cao Nhạc “streaming” Game 3D

Lướt web nhanh

3.5G

HSDPA

1xEV - DV

Từ

384Kbps14,4Mbps

Video theo yêu cầu (VOD)

Video hội họp

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 56 trang tài liệu này.

1.2 CÁC TIÊU CHUẨN XÂY DỰNG MẠNG 3G

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2,5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; High-ends games;...

3G bao gồm 4 chuẩn chính là :

• W-CDMA

• CDMA2000

• TDCDMA

• TDSCDMA.

Trong đó, chuẩn W-CDMA có hai chuẩn con thành phần là :

• UMTS

• FOMA.

+ WCDMA

Tiêu chuẩn WCDMA là nền tảng của chuẩn UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên kỹ thuật CDMA trải phổ dãy trực tiếp, trước đây gọi là UTRA FDD, được xem như là giải pháp thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE.

FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên. Tuy nhiên, tuy là dựa trên công nghệ WCDMA, công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này).

+ CDMA 2000

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất của CDMA2000 nằm bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, là tổ chức độc lập với 3GPP. Có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV.

CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 Kbps tới trên 3 Mbps. Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU.

Người ta cho rằng sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 là tại KDDI của Nhật Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G. Kể từ năm 2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO (EV- DO) với tốc độ dữ liệu tới 2,4 Mbps. Năm 2006, AU dự kiến nâng cấp mạng lên tốc độ Mbps. SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002.

+ TD-CDMA

Chuẩn TD-CDMA, viết tắt từ Time-division-CDMA, trước đây gọi là UTRA TDD, là một chuẩn dựa trên kỹ thuật song công phân chia theo thời gian (Time- division duplex). Đây là một chuẩn thương mại áp dụng hỗn hợp của TDMA và CDMA nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho truyền thông đa phương tiện trong cả truyền dữ liệu lẫn âm thanh, hình ảnh.

Chuẩn TD-CDMA và W-CMDA đều là những nền tảng của UMTS, tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP, vì vậy chúng có thể cung cấp cùng loại của các kênh khi có thể. Các giao thức của UMTS là HSDPA/HSUPA cải tiến cũng được thực hiện theo chuẩn TD- CDMA.

+ TD-SCDMA

Chuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) đang được phát triển tại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens, nhằm mục đích như là một giải pháp thay thế cho W-CDMA. Nó thường xuyên bị nhầm lẫn với chuẩn TD-CDMA. Cũng giống như TD-CDMA, chuẩn này dựa trên nền tảng UMTS-TDD hoặc IMT 2000 Time-Division (IMT-TD). Tuy nhiên, nếu như TD-CDMA hình thành từ giao thức mang cũng mang tên TD-CDMA, thì TD-SCDMA phát triển dựa trên giao thức của S-CDMA.

1.3 CÁC THAM SỐ CHÍNH CỦA W-CDMA

- 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.

- Giao diện vô tuyến của WCDMA được thiết kế để nhà vận hành có thể lựa chọn sử dụng các công nghệ máy thu hiện đại như: MUD, hệ thống ănten thích ứng nhằm tăng dung lượng của mạng cũng như vùng phủ sóng của các trạm thu phát.

- 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.

Bảng 1.2: Các thông số chính của WCDMA

Băng tần kênh

1.25Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 20Mhz
Cấu trúc kênh hướng xuống	Trải phổ trực tiếp
Tốc độ chip	(1,024)a/4,096/8,192/16,384
Lặp	0,22
Độ dài khung	10 ms/ 20 ms
Điều chế trải phổ	QPSK cân bằng (hướng xuống) QPSK kép (hướng lên) Mạch truyền phức hợp
Điều chế dữ liệu	QPSK (hướng xuống) BPSK (hướng lên)
Phát hiện kết nối	Kênh pilot ghép thời gian (hướng lên và hướng xuống) Không có kênh pilot chung hướng xuống
Ghép kênh hướng lên	Kênh điều khiển, kênh pilot ghép thời gian. Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển.
Đa tốc độ	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)
Trải phổ (hướng lên)	Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 218
Trải phổ (hướng xuống)	Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã Gold 241
Chuyển giao	Chuyển giao mềm (Soft handoff) Chuyển giao khác tần số

1.4 CÁC KÊNH CƠ BẢN CỦA W-CDMA

Hình 1.2: Cấu trúc kênh của WCDMA

+ Từ hình 2 cho ta cái nhìn tổng quan về các kênh được sử dụng trong WCDMA gồm

3 kênh cơ bản:

- Kênh logic.

- Kênh truyền tải.

- Kênh vật lý.

 Kênh logic: Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: kênh điều khiển và kênh lưu lượng.

 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.

Việc phân ra các loại kênh khác nhau là 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.

Các kênh truyền tải được xử lý tiếp theo bằng cách ghép vào các kênh vật lý. 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.

1.5 CÁC BƯỚC CẢI TIẾN CỦA CÔNG NGHỆ W-CDMA

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