Luận văn Đánh giá chất lượng kênh truyền xuống trong HSPA+

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN XUỐNG TRONG HSPA+ (PERFORMANCE EVALUATION FOR DOWNLINK IN HSPA+) ĐỀ TÀI HỢP TÁC NGHIÊN CỨU GIỮA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM VÀ ĐẠI HỌC KYUNG HEE, HÀN QUỐC GVHD: TS HOÀNG ĐÌNH CHIẾN TS TRẦN LÊ NAM GS EEN KEE HONG SVTH: PHẠM HOÀNG VIỆT 40403138 NGUYỄN QUANG TUẤN 40402929 TP.HCM, Tháng 12/2008 iMục lục Danh mục hình vẽ ...................................................................................................v Danh mục bảng.......................................................................................................viii Lời mở đầu..............................................................................................................ix Lời cám ơn ..............................................................................................................x Thuật ngữ viết tắt....................................................................................................xi Chương 1: Nền tảng của 3G cải tiến...................................................................1 1.1 Lịch sử và nền tảng của 3G ..............................................................................1 1.1.1 Trước 3G ..........................................................................................1 1.1.2 Những hội thảo đầu tiên về 3G ........................................................3 1.1.3 Nghiên cứu về 3G.............................................................................4 1.1.4 Bắt đầu chuẩn hóa 3G ......................................................................4 1.2 Sự chuẩn hóa.....................................................................................................5 1.2.1 Quá trình chuẩn hóa .........................................................................5 1.2.2 3GPP.................................................................................................6 1.3 Phổ cho 3G........................................................................................................9 Chương 2: Sự phát triển của 3G cải tiến............................................................13 2.1 Nhân tố thúc đẩy ...............................................................................................13 2.1.1 Tiến bộ trong công nghệ...................................................................14 2.1.2 Dịch vụ .............................................................................................15 2.1.2.1 Công nghệ Internet và IP......................................................15 2.1.2.2 Các dịch vụ truyền thống .....................................................15 2.1.2.3 Đòi hỏi từ các dịch vụ ..........................................................15 2.1.2.4 Các dịch vụ chủ yếu .............................................................17 2.1.3 Chi phí và hiệu quả...........................................................................17 2.2 3G cải tiến .........................................................................................................18 2.2.1 Cải tiến mạng truy cập vô tuyến (RAN) ..........................................18 2.2.1.1 Quan điểm về LTE ...............................................................20 2.2.1.2 Quan điểm về HSPA cải tiến ...............................................21 2.2.2 Mạng lõi cải tiến: cải tiến cấu trúc hệ thống ....................................21 ii Chương 3: WCDMA cải tiến ...............................................................................23 3.1 Tổng quan về WCDMA....................................................................................24 3.1.1 Cấu trúc tổng quan ...........................................................................24 3.1.2 Lớp vật lý .........................................................................................27 3.1.3 Quản lý nguồn tài nguyên và phiên dữ liệu gói ...............................32 Chương 4: HSDPA ...............................................................................................34 4.1 Tổng quan .........................................................................................................34 4.1.1 Kênh dùng chung..............................................................................34 4.1.2 Lịch trình phụ thuộc kênh ................................................................35 4.1.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao hơn ......................................37 4.1.4 Hydrid ARQ với kết hợp mềm.........................................................37 4.1.5 Cấu trúc ............................................................................................37 4.2 Chi tiết về HSDPA............................................................................................39 4.2.1 HS-DSCH.........................................................................................39 4.2.2 MAC-hs và tiến trình trong lớp vật lý ..............................................42 4.2.3 Lịch trình ..........................................................................................44 4.2.4 Điều khiển tốc độ .............................................................................46 4.2.5 Hydrid ARQ với kết hợp mềm.........................................................48 4.2.6 Luồng dữ liệu ...................................................................................51 4.2.7 Điều khiển nguồn tài nguyên cho HSDPA.......................................53 4.2.8 Di động .............................................................................................55 4.2.9 Các loại UE ......................................................................................56 4.3 Chi tiết hơn về HSDPA.....................................................................................57 4.3.1 Nhắc lại hydrid ARQ: tiến trình lớp vật lý.......................................57 4.3.2 Sự xáo trộn và sắp xếp lại các chòm sao..........................................62 4.3.3 Nhắc lại về Hydrid ARQ: hoạt động giao thức ...............................63 4.3.4 Truyền theo trình tự..........................................................................64 4.3.5 MAC-hs header ................................................................................67 4.3.6 CQI và các phương tiện khác để truy cập đặc tính downlink ..........68 4.3.7 Tín hiệu điều khiển downlink: HS-SCCH........................................72 4.3.8 Tín hiệu điều khiển downlink: F-DPCH ..........................................74 4.3.9 Tín hiệu điều khiển uplink: HS-DPCCH..........................................75 iii Chương 5: Mô phỏng ...........................................................................................79 5.1 Mô hình mô phỏng ..........................................................................................79 5.2 Coding..............................................................................................................80 5.2.1 CRC Attachment ..............................................................................80 5.2.1.1 Tính toán CRC .....................................................................80 5.2.1.2 Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra khối CRC Attachment .....81 5.2.2 Bit Scrambling..................................................................................81 5.2.3 Code block segment .........................................................................82 5.2.4 Channel Coding ................................................................................83 5.2.5 Hydrid ARQ .....................................................................................83 5.2.5.1 HARQ bit separation ...........................................................84 5.2.5.2 Tầng RM thứ nhất ................................................................84 5.2.5.3 Tầng RM thứ hai ..................................................................85 5.2.5.4 HARQ bit collection ............................................................87 5.2.5.5 Giải thuật Rate matching .....................................................88 5.2.5.6 Các thông số RV ..................................................................89 5.2.6 Physical channel segmentation.........................................................90 5.2.7 Interleaving.......................................................................................90 5.2.8 Constellation re-arrangement đối với 16QAM Và 64QAM ............92 5.2.9 Physical channel mapping ................................................................93 5.3 Spreading & Modulation .................................................................................94 5.3.1 Spreading..........................................................................................94 5.3.1.1 Ánh xạ điều chế ...................................................................94 5.3.1.1.1 QPSK..........................................................................94 5.3.1.1.2 16QAM ......................................................................95 5.3.1.1.3 64QAM ......................................................................95 5.3.1.2 Channelization code.............................................................96 5.3.1.3 Kết hợp IQ ...........................................................................98 5.3.1.4 Scrambling code ..................................................................98 5.3.1.5 Kết hợp kênh........................................................................98 5.3.2 Modulation .......................................................................................98 5.3.2.1 Tốc độ chip điều chế ............................................................98 5.3.2.2 Điều chế ...............................................................................99 5.4 Channel ............................................................................................................99 5.5 Despreading & Demodulation .........................................................................101 5.6 Decoding..........................................................................................................101 5.7 Giao diện chương trình ....................................................................................101 iv 5.7.1 Giao diện chính của chương trình ....................................................101 5.7.2 Giao diện Evaluation ........................................................................103 5.7.3 Giao diện File Transfer.....................................................................105 5.8 Kết quả mô phỏng............................................................................................106 5.8.1 Đánh giá chất lượng kênh truyền .....................................................106 5.8.2 Ví dụ về truyền tập tin với giao diện File Transfer ..........................115 5.9 Nhận xét kết quả ..............................................................................................118 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài .........................................119 6.1 Kết luận............................................................................................................119 6.2 Hạn chế của đề tài............................................................................................119 6.3 Hướng phát triển của đề tài .............................................................................119 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................120 vDANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các bước chuẩn hóa và sự tương tác lẫn nhau .......................................... 5 Hình 1.2: Tổ chức 3GPP............................................................................................ 7 Hình 1.3: Các phiên bản 3GPP cho UTRA ............................................................... 8 Hình 1.4: Các băng tần hoạt động cho UTRA FDD được xác định trong 3GPP ...... 11 Hình 2.1: Sự phát triển nhanh chóng các thiết bị đầu cuối trong vòng 20 năm ........ 14 Hình 2.2: Sơ đồ tốc độ bit – trễ của dịch vụ (quan trọng khi thiết kế một hệ thống thông tin tế bào mới) .................................................................................. 16 Hình 2.3: HSPA và chiến lược triển khai LTE: nâng cao thành HSPA cải tiến và sau đó triển khai LTE tại một số nơi trong WCDMA/HSPA..................... 22 Hình 3.1: WCDMA cải tiến ....................................................................................... 24 Hình 3.2: Cấu trúc mạng truy cập vô tuyến WCDMA .............................................. 25 Hình 3.3: Cấu trúc giao thức WCDMA..................................................................... 26 Hình 3.4: Quá trình thực hiện tại lớp vật lý trong WCDMA..................................... 28 Hình 3.5: Channelization Codes ................................................................................ 30 Hình 4.1: Cấu trúc miền thời gian và mã của HS-DSCH .......................................... 35 Hình 4.2: Lịch trình phụ thuộc kênh của HSDPA ..................................................... 36 Hình 4.3: Minh họa cấu trúc HSDPA ........................................................................ 38 Hình 4.4: Sử dụng công suất với HS-DSCH ............................................................. 40 Hình 4.5: Cấu trúc kênh với HSDPA......................................................................... 42 Hình 4.6: MAC-hs và tiến trình ở lớp vật lý.............................................................. 43 Hình 4.7: Điều khiển mức độ ưu tiên trong trình lập biểu......................................... 45 Hình 4.8: Kích thước khung truyền và số Channelization codes cho điều chế QPSK và 16QAM .................................................................................................. 47 vi Hình 4.9 : Tạo các redundancy versions................................................................... 50 Hình 4.10: Nhiều tiến trình Hydrid-ARQ (trong hình là 6)....................................... 51 Hình 4.11: Thiết lập giao thức khi HS-DSCH được qui định. Các số phía bên phải hình tương ứng các số bên phải trong hình 4.12 ..................................... 52 Hình 4.12: Luồng dữ liệu tại phía UTRAN ............................................................... 53 Hình 4.13: Các đo đạc và giới hạn nguồn tài nguyên cho HSDPA........................... 54 Hình 4.14: Thay đổi các cell phục vụ cho HSPA ...................................................... 55 Hình 4.15: Nguyên lý của phối hợp tốc độ gồm 2 tầng............................................. 58 Hình 4.16: Ví dụ về việc sinh ra các redundancy versions khác nhau trong trường hợp IR ....................................................................................................... 61 Hình 4.17: Xáo trộn cho kênh HS-DSCH.................................................................. 62 Hình 4.18: Chuỗi ưu tiên trong NodeB MAC-hs và sắp theo thứ tự chuỗi trong UE MAC – hs ................................................................................................. 65 Hình 4.19: Minh họa nguyên lý sau khi sắp xếp lại .................................................. 67 Hình 4.20: Cấu trúc phần đầu của MAC-hs............................................................... 68 Hình 4.21: Các quan hệ thời gian cho các báo cáo CQI ............................................ 71 Hình 4.22: Mã hóa kênh truyền HS - DSCH ............................................................. 73 Hình 4.23: F-DPCH được thêm vào trong phiên bản 6 ............................................. 75 Hình 4.24: Cấu trúc cơ bản của truyền tín hiệu uplink với mã IQ/code – multiplexed HS-DPCCH ............................................................................................. 76 Hình 4.25: Ngưỡng quyết định cho trường hợp ACK/NAK của HS-DPCCH.......... 77 Hình 4.26: ACK/NAK cải tiến sử dụng PRE và POST............................................. 78 Hình 5.1: Mô hình mô phỏng ................................................................................... 79 Hình 5.2: Coding cho HS-DSCH ............................................................................. 80 vii Hình 5.3: Cấu trúc của HARQ................................................................................... 83 Hình 5.4: Cấu trúc bộ xen kẽ ..................................................................................... 91 Hình 5.5: Trải chip cho các kênh vật lý..................................................................... 94 Hình 5.6: Cấu trúc cây cho OVSF code .................................................................... 97 Hình 5.7: Kết hợp các kênh vật lý ............................................................................. 98 Hình 5.8: Điều chế ..................................................................................................... 99 Hình 5.9: Giao diện chính của chương trình ............................................................. 102 Hình 5.10: Thông báo bạn có muốn thoát khỏi chương trình hay không.................. 102 Hình 5.11: Giao diện Evaluation ............................................................................... 103 Hình 5.12: Tùy chọn các dạng môi trường mô phỏng............................................... 104 Hình 5.13: Chương trình đang thực thi...................................................................... 104 Hình 5.14: Chương trình hoàn tất một mô phỏng ..................................................... 104 Hình 5.15: Giao diện File Transfer............................................................................ 105 Hình 5.16: Chọn tập tin để truyền ............................................................................. 106 Hình 5.17: Kết quả trên giao diện Evaluation với CQI=1, AWGN .......................... 108 Hình 5.18: Kết quả FER với AWGN......................................................................... 109 Hình 5.19: Kết quả Throughput với AWGN ............................................................. 110 Hình 5.20: Kết quả số lần gửi trung bình của 1 packet với AWGN ......................... 111 Hình 5.21: Kết quả Throughput với môi trường Padestrian B .................................. 112 Hình 5.22: So sánh FER với CQI=6 (điều chế QPSK) ............................................. 113 Hình 5.23: So sánh FER với CQI=16 (điều chế 16QAM) ........................................ 114 Hình 5.24: Ví dụ truyền tập tin văn bản .................................................................... 115 Hình 5.25: Ví dụ truyền tập tin âm thanh .................................................................. 116 Hình 5.26: Ví dụ truyền tập tin hình ảnh................................................................... 117 viii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Các băng tần cho UTRA FDD được xác định bởi 3GPP.......................... 10 Bảng 1.2: Các băng tần cho UTRA TDD được xác định bởi 3GPP.......................... 12 Bảng 4.1: HSDPA UE categories [99]....................................................................... 57 Bảng 4.2: Ví dụ về báo cáo CQI với 2UE category khác nhau ................................. 69 Bảng 5.1: Các thông số cho tầng RM thứ hai ............................................................ 86 Bảng 5.2: Thông số RV cho 16QAM và 64QAM ..................................................... 89 Bảng 5.3: Thông số RV cho QPSK ........................................................................... 89 Bảng 5.4: Mẫu hoán vị cột dùng cho bộ xen kẽ ........................................................ 92 Bảng 5.5: Sắp xếp lại giản đồ chò