MỤC LỤC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Nghiên cứu đặc tính kênh truyền trong công nghệ HSDPA

CHƯƠNG 1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 3G ................................................................. 1

 1.1. Giới thiệu chương............................................................................................................ 1

 1.2. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động................................................ 2

    1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ một................................................................... 2

    1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ hai.................................................................... 3

    1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba...................................................................... 4

 1.3. Kiến trúc 3G UMTS........................................................................................................ 5

    1.3.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3........................................................................... 5

    1.3.2. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4........................................................................... 8

    1.3.3. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5........................................................................... 9

 1.4. Kết luận chương............................................................................................................ 10

CHƯƠNG 2: TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO............................................................ 11

  2.1. Giới thiệu chương......................................................................................................... 11

  2.2. Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao.......................................................................... 11

  2.3. Kiến trúc dao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA..................................................... 13

  2.4. Truy cập gói tốc độ cao đường xuống HSDPA........................................................ 14

     2.4.1. Các đặc điểm chính của HSDPA.......................................................................... 14

     2.4.2. Khả năng của thiết bị đầu cuối............................................................................ 16

  2.5. Truy nhập gói tốc độ cao đường lên HSUPA........................................................... 18

     2.5.1. Các đặc điểm chính của HSUPA.......................................................................... 18

     2.5.2. Khả năng của thiết bị đầu cuối............................................................................ 21

  2.6. Kết luận chương........................................................................................................... 22

CHƯƠNG 3. CÁC ĐẶC ĐIỂM TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG CÔNG NGHỆ HSDPA           23

  3.1. Giới thiệu chương......................................................................................................... 23

  3.2. Truyền dẫn kênh chia sẻ............................................................................................. 23

  3.3. Cấu trúc MAC-hs và lớp vật lý.................................................................................. 25

  3.4. Lập biểu và thích ứng đường truyền......................................................................... 27

     3.4.1. Lập biểu................................................................................................................... 27

     3.4.2. Thích ứng đường truyền........................................................................................ 31

  3.5. HARQ với kết hợp mềm.............................................................................................. 32

  3.6. CQI và các phương tiện đánh giá chất lượng khung khác...................................... 34

  3.7. Thủ tục lớp vật lý của HSDPA................................................................................... 35

  3.8. Tình hình triển khai 3G tại Việt Nam........................................................................ 37

    3.8.1. Số lượng khách hàng tìm hiểu và sử dụng 3G..................................................... 37

    3.8.2. Tốc độ thực tế của 3G Viettel, Mobifone, Vinaphone...................................... 38

  3.9. Kết luận chương........................................................................................................... 40

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KÊNH HS-DSCH VÀ KỸ THUẬT LẬP BIỂU.............. 41

  4.1. Giới thiệu chương......................................................................................................... 41

  4.2. Chương trình mô phỏng NS2...................................................................................... 41

  4.3. Mô phỏng kênh truyền HS-DSCH và các kỹ thuật lập biểu phụ thuộc kênh...... 42

     4.3.1. Kịch bản mô phỏng................................................................................................ 42

     4.3.2. Mô phỏng đường truyền khi 2 UE có cùng vận tốc nhưng khoảng cách so với node B khác nhau.................................................................................................................................................. 48

     4.3.3. Mô phỏng đường truyền khi 2 UE có cùng khoảng cách so với node B nhưng có vận tốc khác nhau......................................................................................................................................... 52

  4.4. Kết luận chương........................................................................................................... 56

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.......................................................... 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................... 59

PHỤ LỤC............................................................................................................................... 60

LỜI NÓI ĐẦU

Ngay từ khi ra đời cho đến nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu liên lạc của con người. Với nhu cầu sử dụng di động ngày càng cao cả về chất lượng và dịch vụ, thông tin di động không ngừng cải tiến, phát triển nhằm mục đích triển khai các hệ thống thông tin di động tiên tiến hơn trong tương lai. Thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Xuất phát từ thế hệ thứ nhất (1G), tiếp đến là 2G với GSM và CDMA điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng cho thấy rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng.

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấp tốc độ lên đến 10 Mbps trên đường xuống. HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA. Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA.

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Th.S Huỳnh Thanh Tùng, cùng với nỗ lực bản thân, đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài ” Nghiên cứu đặc tính kênh truyền trong công nghệ HSDPA” trình bày những vấn đề căn bản nhất về công nghệ mới được bắt đầu đưa vào từ 3G WCDMA R5 do 3GPP chuẩn hóa. Mục tiêu đồ án là nghiên cứu các đặc điểm công nghệ HSDPA nhằm mở rộng giao diện vô tuyến của hệ thống WCDMA.

CHƯƠNG1: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 3G

1.1. Giới thiệu chương

Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh ở Mỹ bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào thời điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị còn khá cồng kềnh và công nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn trước những toà nhà lớn ở thành phố.

Với sự phát triển nhanh của ngành công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một số thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại.

            Chất lượng và các dịch vụ trong thông tin di động ngày càng đòi hỏi phải đáp ứng tốt hơn. Do đó thông tin di động sẽ có những bước phát triển lên các công nghệ mới hơn để đáp ứng yêu cầu nói trên. Việc nghiên cứu, phát triển hệ thống thông tin di động do nhiều tổ chức, cơ quan tiến hành. Trong chương này sẽ giới thiệu các phiên bản trong quá trình phát triển 3G do 3GPP chuẩn hoá.

1.2. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của công nghệ thông tin di động, có thể mô tả quá trình tiến tới 4G của các công nghệ hiện có như dưới đây:

Hình 1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động

1.2.1.Hệ thống thông tin di động thế hệ một

Thế hệ đầu tiên của thông tin di động đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM. Hệ thống analog, đã từng được triển khai ở Bắc Mĩ được biết đến với tên gọi AMPS, hoạt động ở dải tần 800Mhz. Hệ thống di động đầu tiên ở Châu Âu được triển khai năm 1981 ở Thụy Điển, NaUy, Đan Mạch và Phần Lan sử dụng công nghệ NMT hoạt động ở dải tần 450Mhz. Phiên bản sau của NMT hoạt động ở tần số 900MHz và được biết đến với tên gọi NMT900. Không thua kém, Anh giới thiệu một công nghệ khác vào năm 1985, TACS. Các hệ thống thông tin di động thế hệ một đã giải quyết những hạn chế đầu tiên về dung lượng, mặc dù chỉ là hệ thống tương tự, sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh và chỉ được thiết kế cho truyền tiếng.

1.2.2.Hệ thống thông tin di động thế hệ hai

 Khác với thế hệ một, hệ thống thông tin di động thế hệ hai (2G) được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn lên tính tương thích, khả năng chuyển mạch phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Công nghệ vô tuyến 2G thông dụng nhất được biết đến là GSM. GSM kết hợp cả hai kỹ thuật TDMA và FDMA. Các hệ thống GSM đầu tiên sử dụng phổ tần 25MHz ở dải tần 900MHz. FDMA được sử dụng để chia băng tần 25MHz thành 124 dải tần số (mỗi dải 200kHz). Với mỗi tần số lại sử dụng khung TDMA với 8 khe thời gian. Ngày nay các hệ thống GSM hoạt động ở băng tần 900MHz và 1.8GHz trên toàn thế giới (ngoại trừ Mỹ hoạt động trên băng tần 1.9GHz).

Cùng với GSM, một công nghệ tương tự được gọi là PDC, sử dụng công nghệ TDMA nổi lên ở Nhật. Từ đó, một vài hệ thống khác sử dụng công nghệ TDMA đã được triển khai khắp thế giới với khoảng 89 triệu người sử dụng. CDMA sử dụng công nghệ trải phổ và đã được thực hiện trên khoảng 30 nước. Trong khi GSM và các hệ thống sử dụng TDMA khác trở thành công nghệ vô tuyến 2G vượt trội, công nghệ CDMA cũng đã nổi lên với chất lượng thoại rõ hơn, ít nhiễu hơn, giảm rớt cuộc gọi, dung lượng hệ thống và độ tin cậy cao hơn. Các mạng di động 2G trên đây chủ yếu vẫn sử dụng chuyển mạch kênh. Các mạng di động 2G sử dụng công nghệ số và có thể cung cấp một số dịch vụ ngoài thoại như fax hay bản tin ngắn ở tốc độ tối đa 9.6 kbps, nhưng vẫn chưa thể duyệt web và các ứng dụng đa phương tiện.

Tổng quan về  công nghệ FDMA, TDMA, CDMA được mô tả như hình dưới:

Hình 1.2: Các phương pháp đa truy nhập

1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba

Một trong những đặc điểm quan trọng của 3G là khả năng kết hợp các tiêu chuẩn ô như CDMA, GSM, TDMA. Có ba phương thức đạt được kết quả này là WCDMA, CDMA2000 và UWC136:

• CDMA2000 tương thích với CDMA phần lớn được sử dụng ở Mỹ.
• UWCcòn được gọi là IS-136HS, đã được đề xuất bởi TIA và thiết kế theo chuẩn ANSI-136, một tiêu chuẩn TDMA Bắc Mỹ.
• WCDMA tương thích với mạng 2G phổ biến ở châu Âu và đa phần châu Á. WCDMA sử dụng băng tần 5Mhz và 10 Mhz, tạo một nền tảng thích hợp cho các nhiều ứng dụng. Nó có thể đặt trên các mạng GSM, TDMA hay IS95 sẵn có.

Ở đây chỉ xét mạng truy nhập WCDMA cho UMTS. Đề án hợp tác thế hệ thứ ba (3GPP) mạng đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng đầu tiên được bắt đầu từ năm 2002. Hiện nay, mạng WCDMA triển khai trong hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) quanh dải tần số 2GHz ở châu Âu và châu Á. WCDMA ở Mỹ được triển khai trên phổ tần cấp phát 850 và 1900 MHz hiện hành trong khi dải tần 3G mới là 1700/2100 MHz được kì vọng đáp ứng trong nay mai.

Khi sự thâm nhập của di động WCDMA tăng lên, nó cho phép mạng WCDMA mang tới lưu lượng dữ liệu và thoại dùng chung lớn hơn. Dung lượng thoại đưa ra rất cao do kĩ thuật điều khiển nhiễu bao gồm dùng lại tần số, điều khiển năng lượng nhanh và chuyển giao mềm. Cộng thêm hiệu quả trải phổ cao, 3G WCDMA cung cấp phát triển ấn tượng về phạm vi hiệu quả phần cứng và dung lượng trạm gốc. WCDMA cho phép đồng thời cả thoại và dữ liệu như là lướt web hoặc gửi mail trong suốt thoại hội nghị hoặc chia sẻ hình ảnh thời gian thực trong suốt cuộc gọi hội thoại. Các nhà khai thác cũng cho phép kết nối laptop đến Internet và hợp thành Intranet với tốc độ bít cực đại là 384 kbps cả cho đường lên và đường xuống. Các mạng và thiết bị đầu cuối ban đầu bị giới hạn 64-128kbps trong đường lên trong khi sản phẩm mới nhất cung cấp 384 kbps cho đường lên.

1.3.Kiến trúc 3G UMTS

3G UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4 và R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Khi này đảm nhiệm các dịch vụ thoại là miền CS còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 với miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm do đó toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều trên IP.

1.3.1.Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

Hình 1.3: Kiến trúc UMTS

UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói với 384Mbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS.

Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN), mạng lõi (CN).

UE là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng bao gồm ba thiết bị:

• Thiết bị đầu cuối (TE) và thiết bị di động (ME) gọi chung là các đầu cuối vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới.
• Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS.

UTRAN là liên kết giữa người sử dụng và CN. UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miềm chuyển mạch kênh. Giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. UTRAN gồm  các hệ thống mạng vô tuyến (RNS) và mỗi RNS bao gồm bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và các BTS nối với nó như sau:

• RNC chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC).
• Nút B có nhiệm vụ thực hiện kết nối vô tuyến giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu.

Mạng lõi CN bao gồm miền CS, PS và môi trường nhà (HE). Miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Nó bao gồm phần tử MSC/VLR và GMSC như sau:

• MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC.
• Bộ ghi định vị tạm trú (VLR) là bản sao của bộ ghi định vị thường trú (HLR) cho mạng phục vụ (SN). Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được sao chép từ HLR và lưu ở đây. VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp.
• GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS.

Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác. Mạng đường trục trong miền PS sử dụng IP. Miền PS bao gồm phần tử SGSN và GGSN như sau:

• Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) là nút chính của miền chuyển mạch gói. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.
• Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí.

HE lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ các thông tin vê thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp. HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: trung tâm nhận thực (AuC), HLR và bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) như sau:

• AuC lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý.
• HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao.
• Bộ ghi nhận thực thiết bị chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối.

Vai trò các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ.

• Giao diện Uu là WCDMA, giao diện vô tuyến được định nghĩa cho UMTS. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối.
• Giao diện Iu kết nối CN và UTRAN. Bao gồm ba phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh và IuBC cho miền quảng bá. CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN.

Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là các mạng điện thoại như: mạng di động mặt đất công cộng (PLMN), mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. 

1.3.2.Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.4: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4

Khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào.

Về cơ bản, MSC được chia thành MSC Server và cổng các phương tiện (MGW). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch, ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server.

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục gói. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực (RTP) trên giao thức Internet (IP). Từ hình 1.4 ta thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP.

Tại nơi mà cuộc gọi cần chuyển đến một trạm khác như PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng phương tiện khác được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC Server). MGW này sẽ chuyển tiếng thoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này.

1.3.3.Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5

Hình 1.5: Kiến trúc phát hành UMTS R5

Kiến trúc này được xây dựng trên các công nghệ gói và điện thoại IP cho đồng thời các dịch vụ thời gian thực và không thời gian thực. Kiến trúc này cho phép hỗ trợ chuyển mạch toàn cầu và tương hợp với các mạng ngoài như: mạng 2G, mạng số liệu công cộng và mạng VoIP đa phương tiện.

Trong tiến hoá này, cả tiếng và số liệu được xử lý như nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người dùng đến nơi nhận cuối cùng. Kiến trúc này ngoài hai vùng CS và PS như trong R4 còn bổ sung thêm một vùng nữa trong mạng lõi là vùng đa phương tiện IP (IM). 

Với mục tiêu mở rộng giao diện vô tuyến của WCDMA, tăng cường hiệu năng và dung lượng cho cả đường lên và đường xuống. HSPA được đưa ra nhằm mục đích thực hiện mục tiêu này

 

1.4. Kết luận chương

            Qua chương này chúng ta có cái nhìn khái quát về quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến thế hệ 3, sự chuyển đổi dần từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cũng như các ứng dụng trong thông tin di động. Chương này cũng đề cập đến kiến trúc của hệ thống 3G trong các phiên bản R3, R4, R5 để thấy được quá trình chuyển đổi dần từ kiến trúc chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói.

 

Nội dung đồ án bao gồm bốn chương:

• Chương 1: Trình bày quá trình phát triển hệ thống thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ ba.
• Chương 2: Trình bày tổng quan về truy nhập gói tốc độ cao HSPA.
• Chương 3: Trình bày các kĩ thuật nâng cao tốc độ trong HSDPA
• Chương 4: Trình bày về chương trình mô phỏng và kết quả mô phỏng kênh HS-DSCH

Công nghệ truy nhập HSDPA là công nghệ còn tương đối mới mẻ, việc tìm hiểu về các vấn đề của công nghệ này đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng, và lâu dài. Do vậy, đồ án không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KÊNH HS-DSCH VÀ KĨ THUẬT LẬP BIỂU

4.1. Giới thiệu chương

Chương này sẽ thể hiện kết quả của 2 quá trình mô phỏng:

• Mô phỏng thứ nhất: hai UE có cùng 1 tốc độ, có khoảng cách đến Node B khác nhau.
• Mô phỏng thứ hai: hai UE có cùng  khoảng cách đến Node B, nhưng di chuyển với tốc độ khác nhau.

Quá trình truyền tải dữ liệu được thực hiện trên kênh truyền HS-DSCH, và sẽ sử dụng các kĩ thuật lập biểu khác nhau để so sánh kết quả chất lượng của 2 UE. Bên cạnh đó sẽ giới thiệu các công cụ đã sử dụng thực hiện trong quá trình mô phỏng.

4.2. Chương trình mô phỏng NS2

• NS là phần mềm mô phỏng mạng hướng đối tượng, được phát triển tại UC Berkely, viết bằng ngôn ngữ C++ và OTcl.
• NS-2 là phần mềm mã nguồn mở, mô phỏng các sự kiện rời rạc nhằm mục đích nghiên cứu mạng, hỗ trợ các giao thức mạng như là TCP, UDP, hoạt động của những tài nguyên mạng như FTP, Telnet, Web, CBR và VBR, các cơ chế quản lý hàng đợi router như Drop Tail, RED và CBQ, các thuật toán định tuyến,…

Hình 4.1 Kiến trúc chương trình NS-2

• Để thiết lập và chạy một mạng mô phỏng, người dùng phải viết một tập lệnh Otcl Script và khởi động một lịch trình sự kiện, thiết lập cấu hình mạng sử dụng các đối tượng mạng và các hàm chức năng trong thư viện, chỉ cho tài nguyên lưu lượng biết khi nào thì bắt đầu và kết thúc việc truyền gói thông qua lập biểu.
• Khi kết thúc mô phỏng, NS-2 sẽ xuất ra một hay nhiều file text, ở đó có chứa các dữ liệu kết quả mô phỏng chi tiết nếu chúng ta yêu cầu trong tập lệnh Tcl. Các file này lại là dữ liệu đầu vào cho một chương trình hiển thị mô phỏng trực quan gọi là “Network Animator” (NAM).
• Trong đề tài sử dụng phần mềm NS-2 phiên bản 2.30. Phiên bản này được dùng kết hợp với Eurane hỗ trợ mô phỏng định HSDPA.

4.3. Mô phỏng kênh truyền HS-DSCH và các kĩ thuật lập biểu phụ thuộc kênh

4.3.1. Kịch bản mô phỏng

            Đầu tiên là thiết lập một topo mạng gồm đầy đủ các node của một hệ thống UMTS. Trong kịch bản mô phỏng của chúng ta bao gồm: các node UE, node B, RNC, SGSN, GGSN và 2 node phần mềm mạng. Thông tin dữ liệu sẽ xuất phát từ phần mềm mạng đi qua các node để đến node B, node B sẽ truyền thông tin đến các UE. Các UE sẽ gửi các bản tin ACK/NACK để thông báo cho mạng là đã nhận được gói tin/hoặc chưa nhận được. Sau đó sẽ hiển thị chất lượng đường truyền của mạng khi truyền tải gói dữ liệu qua kênh HS-DSCH và các quá trình lập biểu phụ thuộc kênh.

Hình 4.2: Các node mô phỏng

Quá trình thực hiện mô phỏng:

Hình 4.3: Sơ đồ quá trình thực hiện mô phỏng

Quá trình mô phỏng diễn ra như sau:

+ Sử dụng Matlab để tạo input trace file cho quá trình mô phỏng trong NS2. Từ cửa sổ chính chọn run file chan_generator như hình dưới:

Hình 4.4: Cửa sổ MatLab

+ MatLab sẽ tạo ra một cửa sổ để chọn môi trường cần mô phỏng. Các môi trường mô phỏng bao gồm:

Hình 4.5: Lựa chọn môi trường mô phỏng

            + Chọn môi trường mô phỏng và điền vào các thông số như hình dưới:

Hình 4.6: Nhập các thông số cần mô phỏng

4.3.1.1. Thông tin được lưu trong input trace file

            Thông tin trong input trace file có dạng một ma trận 4 cột như sau:

                                 P1                 P2                       P3                CQI                      

Hình 4.7: Công suất phát và CQI trong 1 UE

Trong đó :

• Số hàng chính là số TTI mà quá trình mô phỏng đã thực hiện.
• P1: Công suất truyền.
• P2: Công suất truyền lần thứ 2( nếu truyền lấn thứ nhất thất bại ).
• P3: Công suất truyền lần thứ 3( nếu truyền lấn thứ hai thất bại ).

Công cụ NAM cho phép hiển thị mô phỏng theo thời gian thực của quá trình truyền dẫn. Ưu điểm của Nam là:

• Dễ dàng theo dõi các gói tin với tốc độ mong muốn.
• Có thể dùng quá trình mô phỏng bất cứ lúc nào và quay lại thơi gian lúc trước đó.
• Các tính năng theo dõi gói tin tiện dụng.

Hình 4.8: Cửa sổ mô phỏng Nam

Trong hình trên thì:

• Node 0: là RNC.
• Node 1: là trạm BS.
• Node 2, 3: tương ứng là người sử dụng 1 và 2.
• Node 4, 5: tương ứng là các gateway sgsn và ggsn.
• Node 6, 7: là phần mềm core.

Luồng thông tin cho user1 màu xanh, user2 là màu đỏ.

Trong quá tình mô phỏng, có thể dễ dàng quan sát thấy mỗi khi bản tin ack được báo trở về node7 thì các packet dành cho user1, 2 lại thay đổi,tuỳ theo chất lượng đường truyền của mỗi user được thông báo về mà node 7 sẽ quyết định độ dài các gói tiếp theo được gửi đến user.

Độ dài các gói tin khác nhau là nhờ bản tin ack được gửi về trước đó thông báo về chất lượng đường truyền của mỗi user, từ đó mạng sẽ quyết định độ dài gói tin của mỗi user.

Khi mô phỏng NS2 kết thúc, ngoài file nam được tạo ra dành cho NAM, còn một file trace được sử dụng để phân tích thông lượng của mạng. Để phân tích được file trace này đồ án sử dụng nans để vẽ đồ thị mong muốn.

Hình 4.9: Sử dụng nans để biểu diễn đồ thị

Trong hình trên, để vẽ đồ thị lưu lượng truyền từ node 7 đến user1 ở dòng đầu tiên, với user2 ở dòng thứ 2.

Dòng 3, 4 sẽ biểu diễn các bản tin ack báo về cho node7.

4.3.2. Mô phỏng đường truyền khi 2 UE có cùng vận tốc nhưng khoảng cách so với node B khác nhau

            Trong mô phỏng này sẽ biểu diễn 2 UE trong cùng một môi trường mô phỏng nhưng có thông số khác nhau:

• UE1: vận tốc 3km/h, khoảng cách so với node B 500m
• UE2:  vận tốc 3km/h, khoảng cách so với node B 4000m
• Lập biểu theo trường hợp tối đa C/I

Thông lượng của UE1

                                          Thông lượng của UE2

• Trường hợp lập biểu quay vòng

Thông lượng của UE1

Thông lượng của UE2

• Trường hợp lập biểu công bằng

Thông lượng của UE1

Thông lượng của UE2

Qua các kết quả đã mô phỏng ở trên chúng ta thấy rõ chất lượng đường truyền có sự khác biệt giữa 2 UE có cùng điều kiên mô phỏng nhưng khác nhau về khoảng cách.

4.3.3. Mô phỏng đường truyền khi 2 UE có cùng khoảng cách so với node B nhưng có vận tốc khác nhau

            Trong môi trường tán xạ Rayleigh:           

• UE1: có vận tốc 3km/h, cách node B 500m.
• UE2: có vận tốc 50km/h, cách node B 500m.
• Lập biểu theo trường hợp tối đa C/I

Thông lượng UE1

Thông lượng UE2

• Trường hợp lập biểu quay vòng

Thông lượng UE1

Thông lượng UE2

• Trường hợp lập biểu công bằng

Thông lượng UE1

Thông lượng UE2

Qua các kết quả đã mô phỏng ở trên chúng ta thấy rõ chất lượng đường truyền có sự khác biệt giữa 2 UE có cùng điều kiên mô phỏng nhưng khác nhau về tốc độ di chuyển.

Nhận xét:

• Với bộ lập biểu max-C/I: hầu như toàn bộ thời gian chỉ có một người sử dụng được lập biểu. Mặc dù cho phép nhận được dung lượng hệ thống cao nhưng tình trạng này không thể chấp nhận được từ quan điểm chất lượng dịch vụ.
•  Chiến lược lập biểu quay vòng cho phép các người sử dụng chia sẻ tài nguyên mã không xét đến các điều kiện kênh tức thời. Lập biểu quay vòng không công bằng về mặt đảm bảo chất lượng kênh giống nhau cho tất cả các đường truyền tin. Trong trường hợp này cần dành nhiều tài nguyên vô tuyến (thời gian) hơn cho các đường truyền tin có điều kiện kênh tức thời trong quá trình lập biểu và điều này dẫn đến tổng hiệu năng hệ thống thấp hơn nhưng chất lượng dịch vụ giữa các đường truyền tin khác nhau cân bằng hơn so với lập biểu max-C/I.
• Lập biểu công bằng tận dụng nhiều nhất các thay đổi nhau trong các điều kiện kênh mà vẫn thỏa mãn ở một mức độ nào đó sự công bằng giữa các người sử dụng.Trong chiến lược này, các tài nguyên chia sẻ được ấn định cho người sử dụng có điều kiện kênh vô tuyến tốt nhất một cách tương đối.

4.4. Kết luận chương

Qua 2 mô phỏng đường truyền ở trên, với việc sử dụng kênh HS-DSCH hỗ trợ cho việc truyền dẫn dữ liệu đường xuống cùng với việc kết hợp lập biểu và thích ứng đường truyền, HSDPA đã giải quyết được vấn đề chia sẻ tài nguyên di động một cách hợp lí cho các UE  để các UE có chất lượng dịch vụ tốt hơn dù điều kiện về vị trí cũng như vận tốc di chuyển trong cùng một vùng phục vụ của node B.

 

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Dựa trên những cơ sở đạt được ở trên, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là:

vBước phát triển tiếp theo của HSDPA là ứng dụng kĩ thuật MIMO để nâng cao tốc độ số liệu

vNghiên cứu công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA.

vĐánh giá hiệu năng của truy nhập gói tốc độ cao HSPA.

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạng NS-2  và tìm hiểu 2 ngôn ngữ C++ và Otcl để xây dựng các module hỗ trợ mô phỏng HSPA.

PHỤ LỤC

#debug 1

# Name: appTahoe-ftp.tcl

# The Uu interface is assumed to be ideal.

# TCP Tahoe

# $Id: test-2.tcl,v 1.4 2004/01/20 13:29:24 simon Exp $

global ns

remove-all-packet-headers

add-packet-header MPEG4 MAC_HS RLC LL Mac RTP TCP IP Common Flags

set ns [new Simulator]

$ns color 0 Blue

$ns color 1 Red

set f [open out.tr w]

$ns trace-all $f

set nf [open hsdpa.nam w]

$ns namtrace-all $nf

proc finish {} {

    global ns

    global f

    $ns flush-trace

    close $f

    global nf

    $ns flush-trace

    close $nf

    puts " Simulation ended."

    exec nam hsdpa.nam &

    exit 0

}

$ns set debug_ 0

$ns set hsdschEnabled_ 1

$ns set hsdsch_rlc_set_ 0

$ns set hsdsch_rlc_nif_ 0

Mac/Hsdpa set scheduler_type_ 3

Mac/Hsdpa set alpha_ 0.999

$ns node-config -UmtsNodeType rnc

# Node address is 1.

set rnc [$ns create-Umtsnode]

$rnc label "RNC"

$ns node-config -UmtsNodeType bs \

                        -downlinkBW 32kbs \

                        -downlinkTTI 10ms \