Đồ án Các giải pháp kỹ thuật sử dụng trong WCDMA – HSDPA

MỤC LỤC Mục lục I Danh sánh hình vẽ V Danh sánh bảng biểu VIII Tóm tắt đồ án tốt nghiệp(tiếng Việt) IX Tóm tắt đồ án tốt nghiệp(tiếng Anh) XI Thuật ngữ viết tắt XIII Lời mở đầu 1 Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động 3 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ I 4 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ II 6 1.3.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 6 1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 8 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ III 10 1.5 Kết luận chương 1 14 Chương2:Công nghệ di động thế hệ 3 WCDMA 15 2.1 Giới thiệu công nghệ WCDMA 15 2.2 Cấu trúc mạng WCDMA 18 2.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến UTRAN 21 2.2.1.1 Đặc trưng của UTRAN 22 2.2.1.2 Bộ điều khiển mạng vô tuyến UTRAN 22 2.2.1.3 NodeB 23 2.2.2 Giao diện vô tuyến 23 2.2.2.1 Giao diện UTRAN-CN, Iu 24 2.2.2.2 Giao diện RNC – RNC, IUr 25 2.2.2.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 26 2.3 Kết luận chương 2: 26 Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật trong WCDMA 27 3.1 Giới thiệu 27 3.2 Mã hóa 27 3.2.1 Mã vòng hay mã phát hiện lỗi 27 3.2.2 Mã xoắn 29 3.2.3 Mã Turbo 30 3.3 Kỹ thuật trải phổ 30 3.3.1 Giới thiệu 30 3.3.2 Nguyên lý trải phổ trực tiếp DSSS 31 3.3.3 Mã trải phổ và quá trình đồng bộ mã trải phổ 33 3.3.3.1 Trải phổ và ngẫu nhiên hóa 33 3.3.3.2 Đồng bộ mã trải phổ 39 3.4 Truy nhập gói trong WCDMA 41 3.4.1 Tổng quan về truy nhập gói trong W-CDMA 41 3.4.2 Các phương pháp lập biểu gói 42 3.4.2.1 Lập biểu phân chia theo thời gian 42 3.4.2.2 Lập biểu phân chia theo mã 43 3.5 Tìm nhận ô 43 3.5.1 Phương pháp tìm nhận ô theo ba bước 45 3.5.2 Tìm nhận ô lân cận trong thời gian thông tin ở chế độ tích cực 45 3.5.3 Tìm nhận ô lân cận trong chế độ rỗi 46 3.6 Phân tập đa đường 47 3.6.1 Kỹ thuật thu RAKE 50 3.7 Cấu trúc phân kênh của WCDMA 51 3.7.1 Kênh vật lý 52 3.7.1.1 Kênh vật lý riêng đường lên 52 3.7.1.2 Kênh vật lý chung đường lên 55 3.7.1.3 Kênh vật lý riêng đường xuống (DPCH) 59 3.7.2 Kênh truyền tải 64 3.7.2.1 Kênh truyền tải riêng 64 3.7.2.2 Kênh truyền tải chung 64 3.7.2.3 Sắp xếp kênh truyền tải lên kênh vật lý 66 3.8 Kỹ thuật chuyển giao 67 3.8.1 Mục đích của chuyển giao 67 3.8.2 Chuyển giao mềm 67 3.8.3 Chuyển giao mềm hơn 69 3.8.4 Chuyển giao mềm-mềm hơn 70 3.8.5 Chuyển giao cứng 71 3.8.6 Trình tự của chuyển giao 73 3.9 Điều khiển công suất 75 3.9.1 Điều chỉnh công suất đường lên 75 3.9.1.1.Thăm dò truy nhập 75 3.9.1.2 Vòng điều khiển mở 76 3.9.1.3 Vòng điều khiển khép kín 77 3.9.1.4 Quá trình thực hiện vòng điều khiển mở và vòng điều khiển khép kín 80 3.9.2 Điều chỉnh công suất trên đường truyền xuống 82 3.9.3 Phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC 82 3.9.3.1 Khái niệm và lợi ích của Độ dự trữ, cửa sổ công suất 82 3.9.3.2 Sự hoạt động của mạng 85 3.9.3.3 Sự hoạt động của UE 86 3.9.4Phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC 89 3.9.4.1 Mô hình hệ thống 89 3.9.4.2 Thuật toán điều khiển công suất phân tán 90 3.10 Kết luận chương3 91 Chương 4: Mô phỏng quá trình chuyển giao và thủ tục thực hiện cuộc gọi trong WCDMA 92 4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình VB 6.0 92 4.2 Các module 92 4.3 Kết luận chương 4 97 Chương 5: Công nghệ HSDPA 98 5.1 Giới thiệu về HSDPA 98 5.2 Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA 100 5.3 Nguyên lý hoạt động của HSDPA 102 5.4 Cấu trúc HSDPA 104 5.4.1 Mô hình giao thức HSDPA 104 5.4.2 Cấu trúc kênh 105 5.4.2.1 Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao: HS-PDSCH 105 5.4.2.2 Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao: HS-DPCCH 109 5.5 Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA 111 5.5.1 Điều chế và Mã hoá thích ứng-Kỹ thuật truyền dẫn đa mã  111 5.5.2 Kỹ thuật H- ARQ 113 5.6 Kết luận chương 5 : 116 Kết luận 117 Tài liệu tham khảo 119 Phụ lục DANH SÁCH HÌNH VẼ ----o0(((0o---- Số hiệu hình  Tên hình  Trang   1.1  Hệ thống điện thoại di động  3   1.2  Khái niệm về hệ thống FDMA  5   1.3  Khái niệm về hệ thống TDMA  7   1.4  Khái niệm về hệ thống CDMA  9   1.5  Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động lên 3G  10   2.1  Cấu trúc mạng WCDMA  18   2.2  Cấu trúc của UMTS  22   2.3  Mô hình tổng quát các giao diện vô tuyến của UTRAN  24   3.1  Mạch mã hóa vòng với đa thức sinh g(x) = 1 + g1x + g2x2 + ...+ gn-k-1xn-k-1 + xn-k  28   3.2  Quá trình trải phổ và giải trải phổ  32   3.3  Mã OVSF  33   3.4  Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN  36   3.5  Đặc trưng của một phiên dịch vụ gói  42   3.6  Lưu đồ tìm nhận ô theo 3 bước  45   3.7  Thuật toán tìm nhận ô tốc độ cao theo chế độ rỗi  47   3.8  Các loại phân tận trong WCDMA  49   3.9  Máy thu quét (Rake receiver)  51   3.10  Cấu trúc khung vô tuyến của DPDCH/DPCCH đường lên  53   3.11  Số thứ tự các khe truy nhập RACH và khoảng cách giữa chúng  56   3.12  Cấu trúc phát truy nhập ngẫu nhiên  56   3.13  Cấu trúc khung vô tuyến phần bản tin RACH  57   3.14  Cấu trúc phát đa truy nhập ngẫu nhiên CPCH  58   3.15  Cấu trúc khung của DPCH đường xuống  59   3.16  Cấu trúc khung của kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp  60   3.17  Cấu trúc khung của S-CCPCH  61   3.18  Cấu trúc khung kênh đồng bộ  62   3.19  Cấu trúc khung của PDSCH  63   3.20  Cấu trúc kênh chỉ thị bắt AICH  63   3.21  Cấu trúc kênh chỉ thị tìm gọi  64   3.22  Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý  66   3.23  Chuyển giao mềm 2 đường  68   3.24  Chuyển giao mềm 3 đường  69   3.25  Chuyển giao mềm hơn  70   3.26  Chuyển giao mềm –mềm hơn  71   3.27  Chuyển giao cứng cùng tần số  72   3.28  Chuyển giao cứng khác tần số  73   3.29  Quá trình chuyển giao  75   3.30  Vòng điều khiển trong và vòng điều khiển ngoài  79   3.31  Điều chỉnh công suất đường truyền lên được thực hiện bởi trạm gốc  81   3.32  Điều chỉnh công suất đường truyền lên được thực hiện bởi máy di động  82   3.33  Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau  83   3.34  Thuật toán tạo lập TPC trong DSSPC  85   3.35  Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên  87   4.1  Module Các giải pháp kỹ thuật sử dụng trong WCDMA-HSDPA  92   4.2  Module Cấu trúc mạng WCDMA  93   4.3  Module Road to 3G  94   4.4  Module Thủ tục thực hiện cuộc gọi  95   4.5  Module Quá trình chuyển giao mềm  96   5.1  Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ  99   5.2  Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDMA  100   5.3  Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA  102   5.4  Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH  104   5.5  Giao diện vô tuyến của HSDPA  105   5.6  Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH  106   5.7  Trạng thái kênh của các user  107   5.8  Hệ thống trong trường hợp 1 kênh HS-SCCH và phân chia đa thời gian  109   5.9  Cấu trúc kênh HS-DPCCH  109   5.10  Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh  114   5.11  Quá trình truyền lại khối dữ liệu IR  115   DANH SÁCH BẢNG BIỂU ----o0(((0o---- Số hiệu bảng  Tên bảng  Trang   1.1  Từ GSM lên 3G  11   1.2  Từ CDMAOne lên 3G  12   1.3  Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu  13   2.1  Các thông số chính của WCDMA  17   3.1  Bảng tạo ra mã ngẫu nhiên với đa thức tạo mã G(x) =
 38   3.2  Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC  54   3.3  Cấu trúc các trường của DPDCH  55   3.4  Các trường số liệu của phần bản tin RACH  57   3.5  Trường điều khiển phần bản tin RACH  57   3.6  Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC  87   5.1  Lược đồ mã hoá điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã  113   TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Tiếng Việt) ----o0(((0o---- Đồ án gồm có 5 chương: Chương 1 : Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động Chương này em trình bày quá trình phát triển của các hệ thống di động: Hệ thống thông tin di động ra đời vào cuối năm 1940, đến nay thì trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ di động thứ I là hệ thống thông tin tương tự sử dụng - Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Thế hệ di động thứ II ra đời đáp ứng kịp thời số lượng thuê bao di động dựa trên công nghệ điều chế số với việc sử dụng 2 phương pháp đa truy nhập: - Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA - Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Thế hệ di động thứ III là bước đột phá trong công nghệ di động nó nâng tốc độ bit từ 9.5 Kbps lên 2Mbps dựa trên nền tảng là công nghệ trải phổ trực tiếp Chương 2: Công nghệ di động WCDMA Nội dung chương này em sẽ trình bày khái quát về công nghệ WCDMA cũng như thay đổi cơ bản về cấu trúc mạng so với GSM. Hệ thống WCDMA được xây dựng dựa trên cơ sở mang GPRS với cách thêm mạng truy nhập vô tuyến UTRAN. Chúng ta sẽ tìm hiểu các thành phần trong cấu trúc mang WCDMA đồng thời cũng trình bày một cách khái quát về các giao diện vô tuyến cơ bản trong WCDMA. Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật trong WCDMA Chương này em sẽ đền cập đến các giải pháp kĩ thuật được sử dụng để mang tới cho WCDM những ưu điểm so với thế hệ di động trước đây. Đó là các kỹ thuật mã hóa , truy nhập gói, tìm nhận ô và đặc biệt các kỹ thuật trải phổ, chuyển giao và điều khiển công suất. Chương 4: Mô phỏng quá trình chuyển giao và thủ tục thực hiện cuộc gọi trong WCDMA Trình bày chương trình mô phỏng quá trình chuyển giao mềm và quá trình thực hiện cuộc gọi được sử dụng trong WCDMA… Chương 5 : Công nghệ HSDPA Nội dung chương này em trình bày khái quát về HSDPA cũng như những thay đổi của công nghệ HSDPA so với WCDMA. Công nghệ HSDPA là công nghệ dựa trên nền tảng WCDMA nhưng được tối ưu hóa cho các ứng dụng dữ liệu chuyển mạch gói. Công nghệ HSDPA nâng tốc độ truyền dữ liệu lên 14.4Mbps. Để làm được những thay đổi đó thì các công nghệ chuyển giao mềm, điều khiển công suất, truyền với tốc độ thay đổi được thay bằng các công nghệ như điều chế mà mã hóa thích ứng, khe thời gian giảm xuống còn 2ms, Truyền dẫn đa mã, yêu cầu gửi tự động phối hợp HARQ. Abstract Graduation Project (English) ----o0(((0o---- The project includes 5 chapters: Chapter 1: The development process of mobile communications system The content of 1st chapter about The development process of mobile communications system The mobile communications system was born in 1940 and now it has gone through many generations. The first Generation is analog communitions system and it uses: - Frequency division multiple access FDMA The second Generation adapts for increase of subscriber based on digital modulation technique with using two multiple access solutions - Time division multiple access TDMA - Code division multiple access CDMA The third Generation breaks through about mobile technology ,it increases bit rate from 9.5 Kbps to 2Mbps based on Direct Sequence Spreading Spectrum technique. Chapter 2: WCDMA mobile technology The content of 2nd chapter about basic problem of third generation mobile communications system :w-cdma and the basic change about network architecture compared with GSM WCDMA system have been constructed on basis GPRS network with adding UMTS Terrestrial Radio Acces Network(UTRAN) Let’s learn about components of WCDMA network architecture and presented about radio interface and layers in WCDMA Chapter 3 : Technical Solutions in WCDMA The content of this chapter studies about Technical Solutions in WCDMA with unique advantages compared with previous mobile generations: coding technique, access package…and special is Direct Sequence Spreading Spectrum technique and handover, power control Chapter 4: Emolution progam about handover and calls process are used in WCDMA… The Chapter presents emolution progam about handover and calls process are used in WCDMA… Chapter 5:HSDPA technology The content is about basic HSDPA anh changes in technology compared to WCDMA . HSDPA technology based on the WCDMA platform optimized for applications data transfer circuit package. HSDPA technology improves speed data transfer up to 14.4Mbps. To make the changes that the technology handover, power control, with transmission speed of change is replaced by technologies such as Transmission Time Interval reduced to 2ms,transmission multicode, Hybrid Automatic Repeat Request -HARQ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1G 1 Generation Thế hệ di động thứ 1 2G 2 Generation Thế hệ di động thứ 2 3G 3 Generation Thế hệ di động thứ 3 3.5G 3.5 Generation Thế hệ di động thứ 3.5 A AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động. B BCCH Broadcast Control Channel Kênh quảng bá điều khiển BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Ratio Tỷ số bit lỗi. BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân. BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc. C CC Chase Combining Kết hợp khuôn CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCH Common Control Chanel Kênh điều khiển chung CCH Common chanel Kênh truyền tải chung CDMA Code Division Multiple Acces Đa truy cập chia theo mã CN Core network Mạng lõi CPCH Common Control Physical Chanel Kênh vật lý điều khiển chung. CPICH Common Pilot Chanel Kênh hoa tiêu chung. CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CTCH Common Traffic Chanel Kênh lưu lượng chung D DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng. DCH Dedicate channel Kênh truyền tải riêng DPCCH Dedicated Physical Control Chanel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Chanel Kênh vật lý riêng. DPDCH Dedicated Physical Data Chanel Kênh số liệu vật lý riêng. DRNS Drift RNS RNS trôi DSCH Downlink Shared Chanel Kênh dùng chung đường xuống DSS Dynamic Step-Size Bước điều khiển công suất DSSPC Dynamic Step-Size power control Điều khiển công suất theo bước động DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DTCH Dedicated Traffic Chanel Kênh lưu lượng riêng DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục E EMI Electromagnetic interference Sự nhiễu điện từ F FACH Forward Access Channel Kênh thâm nhập đường xuống FBI Feedback Information Thông tin hồi tiếp FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chi theo tần số FER Forward Error Rate Tỉ lệ lỗi khung G FHSS Frequency Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy tần GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng vào GPRS GMSC Gateway MSC Cổng vào MSC GOS Grade Of Service Cấp độ phục vụ GPRS General Packet Radio System General Packet Radio System GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication Thông tin di động toàn cầu H HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu gửi tự động phối hợp HDLA History Data Analyzer Logic Bộ phân tích dữ liệu gốc HLR Home Location Register Đăng ký khu vực thường trú HSDPA High-Speed Downlink Packet Access Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HS-DPCCH HS-Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao HS-DSCH HS-Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-SCCH HS-Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao I IMT-2000 International Mobile Telecommunication – 2000 Thông tin di động toàn cầu-2000 IR Incremental Redundancy Tăng độ dư M MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi trường MAC-hs Medium Access Control high speed Điều khiển thâm nhập môi trường ME Mobile Equipment Thiết bị di động MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MAI Multi Access Interference Nhiễu đa truy nhập O OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Mã trực giao độ dài khả biến P PCB Power control Bit Bít điều chỉnh công suất PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCH Paging Channel Kênh tìm gọi PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống PICH Paging Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi PMRM Power Measument Report Bản tin báo cáo phép đo công suất PN Pseudo Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên PRACH Physical Random Access Channel Kênh thâm nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Scheduler Lập biểu gói R RACH Random Access Channel Kênh thâm nhập ngẫu nhiên RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển đoạn nối vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống con mạng vô tuyến S S-CCPCH Secondary Common control physical channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCH Synchro channel Kênh đồng bộ SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SGSN Serving GPRS Dịch vụ GPRS SS Spread Spectrum Trải phổ T TCP Transmit Control Power Điều khiển công suất truyền dẫn TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gian TDMA Time division multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị tổ hợp khuân dạng truyền tải TFI Transport Format Indicator Nhận dạng khuân dạng truyền tải THSS Time Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy thời gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền U UE User Equipment Thiết bị người sử dụng USIM UMTS Subcriber Identity Module Modun nhận dạng thuê bao UMTS UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Acces Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS V VLR Visitor Location Register Đăng ký khu vực thường trú W WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa thâm nhập vô tuyến phân chia theo mã băng rộng LỜI MỞ ĐẦU ---o0(((0o--- hông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày. Máy di động ngày nay đã trở thành một vật dụng không thể thiếu với mỗi người, nó đáp ứng những nhu cầu liên lạc của người dùng. Tuy nhiên nhu cầu con người luôn luôn được nâng cao và công nghệ di động phổ biến nhất hiện giờ là GSM không đáp ứng được những nhu cầu mới như nhu cầu truy cập thông tin với tốc độ cao và đặc biệt nhu cầu sử dụng các ứng dụng đa phương tiện như: Điện hoại thấy hình, Video trực tuyến, E-mail, World wide web... đòi hỏi tốc độ truyền số liệu phải cao và băng thông lớn. Vì thế công nghệ 3G ra đời như một bước đột phá công nghệ di dộng