Tìm hiểu công nghệ 3G - HSPA

Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện Tử Viễn Thông Bộ Môn Viễn Thông - Mạng ----------------- Báo cáo môn học: Truyền Thông Di Động. Tìm hiểu công nghệ 3G: HSPA GVHD: Thầy Trương Tấn Quang SVTH: Trần Thế Khải 0620024 Vũ Ngọc Sơn 0620066 Giới thiệu: 3G(Third-generation) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền cả thoại và dữ liệu (tải file, gửi mail, MMS, hình ảnh…), ang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, một vài ví dụ tiêu biểu: Điện thoại hình: Với 3G, hai người đối thoại có thể thấy nhau qua màn hình điện thoại di động. Thông tin và tin tức: Bạn có thể truy cập bất kỳ trang web nào để xem tin tức, các sự kiện nóng sốt diễn ra trong ngày bằng điện thoại di động, máy tính xách tay hỗ trợ mạng 3G. Với Internet, bạn có thể xem bản tin dự báo thời tiết, tin tức hàng ngày, thị trường chứng khoán, chia sẻ thông tin với bạn bè người thân... mọi lúc mọi nơi. Thư điện tử: Rời khỏi văn phòng nhưng lại quên gửi một email quan trọng, bạn có thể nhanh chóng hoàn tất nhiệm vụ chỉ với điện thoại di động. Bạn cũng có thể dùng điện thoại thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA để soạn thảo hay lấy tài liệu gửi kèm. Trò chơi: Game đã hiện diện trong điện thoại di động từ rất sớm với các thể loại từ đơn giản đến phức tạp. Là một công nghệ đã phát triển, các trò chơi ngày càng có tính tương tác hơn, hấp dẫn hơn và không thể thiếu cho nhu cầu giải trí. Mạng 3G cho phép tải game bất kỳ lúc nào, nơi đâu. Và các dịch vụ khác như âm nhạc, phim, thể thao, dịch vụ tương tác như trình duyệt web, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu; và dịch vụ Streaming….. Hình 1: Sự tiến triển của công nghệ mạng thông tin di động tại các nước. Trên đây là những lợi ích chung của công nghệ mạng 3G, nhưng ứng với từng hạ tầng mạng sẽ có những thế mạnh riêng. Thêm vào đó, ứng với từng công nghệ mạng (GSM, CDMA) và hạ tầng sẵn có, mỗi Telco sẽ có hướng chọn lựa công nghệ riêng (HSPA, HSPA+, CDMA20001xEV-DO, WCDMA...) cho việc nâng cấp lên 3G. HSPA(High Speed Packet Access). Do 3GPP phát triển, HSPA (High-Speed Packet Access – Truy cập gói tốc độ cao) là công nghệ truyền dẫn không dây cho các thiết bị thông tin di động công nghệ GSM (Global System for Mobile communications – Hệ thống thông tin di động toàn cầu). HSPA hỗ trợ tốc độ tối đa 14,4Mbps (Release –R5) cho đường xuống (HSDPA- High-Speed Downlink Packet Access) và 5,8Mbps (R6) cho đường lên (HSUPA - High-Speed Uplink Packet Access). Công nghệ này giúp tăng dung lượng mạng và giảm thời gian trễ đối với các dịch vụ tương tác. Tính trung bình, người sử dụng có thể tải dữ liệu với tốc độ nhanh gấp 20 lần so với kết nối GPRS đang được các Telco cung cấp. Trong tương lai gần, HSPA sẽ được nâng cấp lên R8 với tốc độ 42Mbps cho đường xuống (downlink) và 12Mbps cho đường lên (uplink). HSDPA được xem là công nghệ mạng di động 3,5G với ưu thế về tốc độ downlink: tốc độ tải về từ 1,8Mbps đến 14,4Mbps. Mặc dù có thể truyền tải bất cứ dạng dữ liệu nào, song mục tiêu chủ yếu của HSDPA là dữ liệu dạng video và nhạc. Hình 2: Lộ trình của công nghệ HSPA và HSPA+ HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ WCDMA nhưng sử dụng các phương pháp chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác. Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong WCDMA được gọi là HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) hay còn gọi là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao. Kênh truyền tải này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện việc tải về với tốc độ vượt trội. Điều này có nghĩa là, dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồn phát đến điện thoại, và quá trình ngược lại (truyền dữ liệu từ điện thoại đến nguồn phát) thì hầu như không thể thực hiện được. HSUPA (tên do Nokia đặt) hay EUL - Enhanced Uplink (do 3GPP đưa ra) là công nghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ 3,75G hay còn gọi là 4G. Đây là công nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ uplink: từ 1,4Mbps đến 5,76Mbps. Ngược lại với HSDPA, HSUPA sử dụng kênh truyền nâng cao tốc độ đường lên E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) theo các kỹ thuật tương tự HSDPA. Mục tiêu chủ yếu của HSUPA là cải tiến tốc độ tải lên cho các thiết bị di động và giảm thời gian trễ trong ứng dụng game, email, chat... HSUPA là công nghệ phát triển sau HSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tương tác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Với đặc điểm nổi bật này, HSPA đang trở thành một công nghệ được nhiều Telco quan tâm phát triển. Theo các công bố của bốn nhà khai thác, cả ba Telco Vinaphone, MobiFone, Viettel đều chọn công nghệ HSDPA nền tảng WCDMA để chuyển tiếp lên mạng 3G với mức tốc độ khởi điểm tối đa từ 7,2Mbps (MobiFone, Viettel) đến 14,4Mbps (Vinaphone). Để có thể sử dụng được các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA đòi hỏi người dùng phải có các thiết bị đầu cuối (ĐTDĐ, MTXT, MTĐB, PDA, router...) hỗ trợ cùng công nghệ. Hiện nay, đã có nhiều thiết bị được tích hợp sẵn công nghệ HSPA, nếu không, bạn vẫn có thể trang bị modem USB hay card HSPA gắn ngoài. Kiến trúc của HSPA: Mạng lõi: Bao gồm trong đó là MSC, HLR, SGSN, GGSN Mỗi UE dùng HSDPA sẽ nhận kênh HS-DSCH(High Speed downlink Shared Channel) từ 1 cell trong vùng phục vụ. Vùng phục vụ cung cấp scheduling, rate control, hybrid ARQ và các hàm MAC-hs được dùng bởi HSDPA, và chuyển giao mềm Chuyển giao mềm giữa hai vùng phục vụ trong HSPA: UE nằm trong vùng phục vụ của SourceNodeB(SB) và của TargetNodeB(TB), 2 vùng phục vụ này được quản lý bởi một RNC(Radio Network Controller). UE gửi yêu cầu chuyển giao, RNC tính toán thông số để thực hiện chuyển giao. RNC gửi thông báo cho TB để yêu cầu chuẩn bị cấu hình lại để phục vụ. TB gửi thông tin báo đã sẵn sàng cho RNC. RNC gửi tiếp một bản tin xác nhận đã nhận được thông tin cho TB. Sau đó RNC gửi cho UE bản tin báo có thể chuyển giao, bản tin bao gồm thông tin về vùng phục vụ mới TB. UE nhận được bản tin về TB, gửi lại cho RNC bản tin thông báo đã nhận được, rồi thực hiện chuyển giao. Mô hình Uplink : Sử dụng kênh E-DCH cho đường lên Công nghệ HSPA+ HSPA+ (HSPA plus) hay HSPA Evolution (HSPA cải tiến) là thế hệ tiếp theo của HSPA do 3GPP đưa ra sau R6 (công nghệ HSUPA). HSPA+ được xem là công nghệ 3,5G. Điều này có nghĩa là HSPA+ sẽ có khả năng tương thích ngược với HSPA. Do đó, các Telco có sẵn hạ tầng HSPA thì việc nâng cấp lên HSPA+ sẽ rất dễ dàng, tiết kiệm chi phí (do tận dụng được các trạm phát đang có) mà tốc độ đạt mức khá cao. Hình 3: HSPA+ có khả năng phục vụ tất cả các dịch vụ IP *: Multicasting là cách truyền dữ liệu từ một điểm tới nhiều điểm. Đây là cách hữu hiệu để truyền văn bản, âm thanh, video đến một nhóm người trên mạng. Hiện HSPA+ R7 đã được thương mại hóa hồi đầu năm nay, còn HSPA+ R8 sẽ chính thức ra mắt vào năm sau. Điểm nổi bật của công nghệ này so với HSPA là sử dụng công nghệ MIMO 2x2 (Multiple Input Multiple Output) với 2 anten phát và 2 anten thu, sử dụng phương thức điều chế 16QAM (HSPA sử dụng QPSK) cho uplink và 64QAM (thay vì 16QAM như HSPA) cho downlink nên tốc độ cao hơn nhiều so với HSPA. HSPA+ R7 có tốc độ downlink 28Mbps (cao gấp đôi HSPA và hơn gấp đôi so với WCDMA), uplink 11Mbps; HSPA+ R8 có tốc độ downlink lên đến 42Mbps và uplink 11Mbps. Trong tương lai HSPA+ R9 có thể sẽ có tốc độ downlink lên đến 84Mbps và uplink lên đến 23Mbps hoặc cao hơn. (Xem hình 2, 3). Các cải tiến HSPA+ có thể đem lại: Thời gian thoại lâu hơn trong 3G Bằng cách sử dụng phương thức truyền không lien tục, cho phép cả voice và packet data cùng kết nối đồng thời. Các voice packets đến sau mỗi 20ms trong khi sự truyền đi trên sóng mang là 2ms burst. Phương thức này kết hợp với RF lien tục và các kĩ thuật mới ở dải tần cơ sở sẽ làm tăng thời gian thoại, và dành nhiều công suất hơn cho các ứng dụng đa phương tiện. Hình 4: Truyền, nhận gián đoạn. Công suất tiêu thụ thấp hơn cho data Công suất tiêu hao cho các ứng dụng packet giảm xuống hơn 50%, cùng phương thức truyền và nhận gián đoạn như voice transmission, ngay khi dòng data ngừng lại thì thiết bị đầu cuối cung bước vào trạng thái tiết kiệm pin gần như ngay lập tức. Kết nối tất cả các dịch vụ, bao gồm cả thoại ngay trên HSPA channels Cho phép liên kết tất cả các dịch vụ lên kênh HSPA transport bao gồm cả các cuộc gọi thoại trên nền chuyển mạch mạch(Circuit Switched (CS) voice over HSPA-thời gian thoại lâu hơn thiết lập cuộc gọi nhanh hơn,chất lượng thoại cũng cao) và dữ liệu gói. Circuit voice CS: Circuit Switching PS: Packet Switching AMR: Adaptive multi rate(bộ mã hóa tiếng đa tốc độ) Hình 5: Circuit Switched voice over HSPA Độ phủ sóng tốt hơn 3 lần với HSPA 900Mhz WCDMA ở châu Âu và châu Á hoạt động ở băng tần 2100MHz, với tần số thấp hơn thì độ phủ sóng cao hơn Kiến trúc mạng “phẳng” hơn, nâng cao hiệu suất hoạt động của end-user Giảm thiểu số lượng thiết bị tham gia vào hệ thống Hình 6: I-HSPA: ít nodes hơn trong đường data tăng độ trễ. Thời gian trễ thấp hơn mang lại hiệu suất cao hơn Thời gian thiết lập kênh nhanh hơn giúp mang lại hiệu quả data tốt hơn 50-100%. Trong mạng HSPA, thời gian thiết lập kênh khoang 0.5-1.0s, trong HSPA+ chỉ là 0.1s (dùng kĩ thuật MIMO) Thời gian thiết lập nhanh và độ trễ thấp có nghĩa là các ứng dụng trước đây được thiết kế cho hệ thống có dây thì bây giờ có thể hoạt động tốt trên các thiết bị di động của mạng HSPA+ Hình 7: Thời gian thiết lập kênh nhanh hơn Dễ dàng nâng cấp từ hệ thống HSPA hiện tại Có thể dùng cùng tần số với đầu cuối HSDPA R5 hay HSUPA R6 HSPA+ release 7: Vừa được thương mại hóa và đưa vào ứng dụng đầu năm 2009. Tốc độ downlink là 28Mbps Gấp đôi dung lượng data so với HSPA và hơn gấp đôi dung lượng voice trên WCDMA. Thời gian trễ thấp hơn, thiết lập cuộc gọi nhanh hơn, thời gian thoại cũng lâu hơn Sử dụng đa sóng mang giúp truy cập băng rộng Hỗ trợ đơn hay đa sóng mang 5Mhz Giá thành dịch vụ thấp hơn, chi phí nâng cấp từ hệ thông hiện tại không cao Kĩ thuật MIMO(Multiple Input Multiple Output) Hỗ trợ 2x2 downlink MIMO dùng 2 anten phát tại Node B để truyền luồng data trực giao đến 2 anten nhận ở thiết bị. Với cách này MIMO có thể tăng dung lượng hệ thống và gấp đôi tốc đọ data mà không cần thêm công suất hay băng thông. Để đạt được hiệu quả cao nhất MIMO cần tỉ lệ SNR cao tại thiết bị và môi trường nhiều phân tán. SNR cao để thiết bị có thể giải mã tín hiệu và môi trường phân tán để chắc chắn là có 2 luồng trực giao. Higher Order Modulation (HOM) HSPA hỗ trợ điều chế 16QAM ở đường xuống và QPSK ở đường lên, dung lượng data tăng khi chúng ta đi từ QPSK sang 16QAM và 64QAM, HSPA+ R7 dùng 64QAM ở đường xuống sẽ tăng tốc độ data lên 50% ở điều kiện lý tưởng(SNR cao), đường lên là 16QAM. Discontinuous Transmission and Reception (DTX/DRX) DTX cho phép thiết bị ngừng kênh điều khiển khi không có data gửi đi. Cũng tương tự, DRX cho phép tắt bộ nhận gần như tức thì khi Node B không truyền bất kì thông tin tải về nào cho thiết bị, sự đồng bộ giữa DTX và DRX cho phép thiết bị tắt các khối nhận và truyền của nó tiết kiệm năng lượng. DTX cũng tăng dung lượng uplink bằng cách giảm thiểu giao thoa uplink dùng trong các ứng dụng data tốc đọ thấp như voice.