Tóm tắt Chương 8: Giao diện vô tuyến 3G+ HSPA môn Thông tin di động | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương 8
GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 3G+ HSPA
8.1. GIỚI THIỆU CHUNG
8.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương
▪ Các giao thức trên giao diện vô tuyến 3G+ HSPA
▪ Các trạng thái 3G UMTS RRC với HSDPA/HSUPA của LTE
▪ Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA)
▪ Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA)
▪ Trải phổ và điều chế cho HSPA
▪ Cấu trúc MAC-hs, MAC-2 và lớp vật lý
▪ Quản lý di động trong HSDPA 8.1.2. Hướng dẫn
• Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương
• Tham khảo thêm [23],[25].
8.1.3. Mục đích chương
• Nắm đựơc các giao thức và các trạng thái khác nhau của HSPA
• Nắm được các kênh trong HSPA
• Nắm đựơc các vấn đề quan lý di động trong HSPA 8.2. TỔNG QUAN
Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet
Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào
năm 2002. Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
trong R6 và tháng 12 năm 2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA.
Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và
HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2006. Các thông số tốc độ đỉnh của
HSPA được cho trong bảng 8.1. Nếu tốc độ số liệu lý thuyết của WCDMA là 2Mbps
(nhưng thực tế là 384 Mbps), thì HSPA R6 đưa tốc độ đỉnh lên 14,4 Mbit/s cho
đường xuống và 5,7Mbps cho đường lên. HSPA R7 đưa tốc độ này lên 28 Mbps cho
dường xuống và 11 Mbps cho đường lên và HSPA R8 với cấu hình MIMO 2x2 đưa
tốc độ này lên 42 Mbps cho đường xuống.
Bảng 8.1. Các thông số tốc độ đỉnh HSPA
Tôc độ số liệu dỉnh Tốc độ số liệu đỉnh HSDPA HSUPA (Mbps) (Mbps) 3GPP R6 14,4 5,7 3GPP R7 28 11 3GPP R8 42 (với sơ đồ - MIMO 2x2)
HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng
một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao (xem hình 8.1). f 2 f 1 Nút B R N C SGSN G G S N
Hình 8.1. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1).
HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA
chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng nút B và RNC.
Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên
R6 và R7 cải thiện hiệu suất cuả HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps
cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau.
Hình 8.2 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2 ms) tại đầu
cuối chỉ xẩy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có
thể không quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có
bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.
Hình 8.2. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA R5)
Hình 8.3 cho thấy các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
a) Các chức năng mới do HSDPA
b) Các chức năng mới do HSUPA
Xử lý HARQ bằng bộ nhớ RNC đệm giá trị mềm Xử lý HARQ
Tạo tín hiệu phản hồi và phát Giải
Tạo thông tin phản hồi về trạng thái bộ điều chế 16QAM đệm và công suất phát Truyền dẫn đa mã Lập biểu đường lên
Hình 8.3. Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA.
Mặc dù sử dụng các công nghệ giống HSDPA, HSUPA cũng có một số khác biệt
căn bản so với HSDPA và các khác biệt này ảnh hưởng lên việc thực hiện chi tiết các tính năng:
Trên đường xuống, các tài nguyên chia sẻ là công suất và mã đều được đặt
trong một nút trung tâm (nút B). Trên đường lên, tài nguyên chia sẻ là đại
lượng nhiễu đường lên cho phép, đại lượng này phụ thuộc vào công suất của
nhiều nút nằm phân tán (các nút UE)
Trên đường xuống bộ lập biểu và các bộ đệm phát được đặt trong cùng
một nút, còn trên đường lên bộ lập biểu được đặt trong nút B trong khi đó
các bộ đệm số liệu được phân tán trong các UE. Vì thế các UE phải thông
báo thông tin về tình trạng bộ đệm cho bộ lập biểu lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Đường lên WCDMA và HSUPA không trực giao và vì thế xẩy ra nhiễu giữa
các truyền dẫn trong cùng một ô. Trái lại trên đường xuống các kênh được
phát trực giao. Vì thế điều khiển công suất quan trọng đối với đường lên để
xử lý vấn đề gần xa. E-DCH được phát với khoảng dịch công suất tương đối
so với kênh điều khiển đường lên được điều khiển công suất và bằng cách
điều chỉnh dịch công suất cho phép cực đại, bộ lập biểu có thể điều khiển
tốc độ số liệu E-DCH. Trái lại đối với HSDPA, công suất phát không đổi (ở
mức độ nhất định) cùng với sử dụng thích ứng tốc độ số liệu.
Chuyển giao được E-DCH hỗ trợ. Việc thu số liệu từ đầu cuối tại nhiều ô
là có lợi vì nó đảm bảo tính phân tập, trong khi đó phát số liệu từ nhiều ô
trong HSDPA là phức tạp và chưa chắc có lợi lắm. Chuyển giao mềm còn
có nghĩa là điều khiển công suất bởi nhiều ô để giảm nhiễu gây ra trong các
ô lân cận và duy trì tương tích ngược với UE không sử dụng E-DCH
Trên đường xuống, điều chế bậc cao hơn (có xét đến hiệu quả công suất đối
với hiệu quả băng thông) được sử dụng để cung cấp các tốc độ số liệu cao
trong một số trường hợp, chẳng hạn khi bộ lập biểu ấn định số lượng mã
định kênh ít cho truyền dẫn nhưng đại lượng công suất truyền dẫn khả dụng
lại khá cao. Đối với đường lên tình hình lại khác; không cần thiết phải chia
sẻ các mã định kênh đối với các người sử dụng khác và vì thể thông thường
tỷ lệ mã hóa kênh thấp hơn đối với đường lên. Như vậy khác với đường lên
điều chế bậc cao ít hữu ích hơn trên đường lên trong các ô vĩ mô và vì thế
không đựơc xem xét trong phát hành đầu của HSUPA.
Trong khi HSDPA chỉ hỗ trợ một TTI (2ms), thì HSUPA có thể hỗ trợ hai độ
dài TTI (2 ms và 10 ms). TTI 2ms được hỗ trợ để giảm trễ còn TTI 10 ms
được hỗ trợ để đảm bảo hoạt động tại biên ô. TTI 10 ms sẽ là giá trị ban đầu
khi mới triển khai hệ thống
8.3. CÁC GIAO THỨC TRÊN GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 3G+ HSPA
Giao diện vô tuyến của HSPA cũng giống như WCDMA nằm trên đường kết nối
giữa UE vớiNodeB và được ký hiệu là Uu (hình 8.4). lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Đường truyền vô tuyến UE Node B RNC CN Iub U u
UE: User Equipement - thiết bị người sử dụng Node B: Nút B
CN: Core Network= mạng lõi
RNC: Radio Network Controller - bộ điều khiển mạng vô tuyến
Hình 8.4. Giao diện vô tuyến của HSPA: Uu
Hình 8.5 cho thấy ngăn xếp giao thức 3G HSPA UMTS trong mặt phẳng người sử
dụng (UP). HSPA (High Speed Packet Access: truy nhập gói tốc độ cao) bao gồm
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access: truy nhập gói tốc độ cao đường
xuống) và HSUPA (High Speed Uplink Packet Access: truy nhập gói tốc độ cao
đường lên). HSDPA cho phép truyền lưu lượng gói trên kênh chia sẻ riêng HS-DCH
(High Speed Dedicated Channel) cho đường xuống, còn HSUPA cho phép truyền
lưu lượng gói trên kênh tăng cừơng riêng E-DCH (Enhanced
Dedicated Channel). Cả hai giao diện này đều đựơc phát triển từ 3G WCDMA
UMTS tuy nhiên lớp MAC đựơc bổ sung thêm một số lớp con để phục vụ hai kênh
gói tốc độ cao nói trên. MAC-hs được bổ sung cho HSDPA để điều khiển lập biểu
nhanh, HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request: yêu cầu phát lại tự động lai ghép)
và ưu tiên. MAC-e đựơc bổ sung cho HSUPA, trong đó MAC-e trong ô phục vụ để
điều khiển lập biểu nhanh, HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request: yêu cầu phát
lại tự động lai ghép) và ưu tiên, còn MAC-e trong ô không phục vụ chỉ để xử lý
HARQ. Ngoài ra lớp con MAC-es được bổ sung cho HSUPA để sắp xếp lại các gói
đúng thứ tự do chuyển giao mềm.
a) Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSDPA trong UP Node B
b) Ngăn xếp giao thứcgiao diện vô tuyến HSUPA trong UP lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng UE Node B
MAC-hs (hs: High Speed= tốc độ cao): lớp con bổ sung cho HSDPA để điều khiển lập biểu HARQ và ưu tiên
MAC-d (d: Dedicated= kênh riêng): để xử lý kênh lưu lượng
MAC-e (e: enhanced): lớp con bổ sung cho HSUPA để điều khiển lập biểu và HARQ MAC-es (s: in sequence delivery):
để đảm bảo sắp xếp các gói đúng thứ tự do chuyển mạch mềm và phát lại
Hình 8.8. Các ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của 3G HSPA UMTS
trong mặt phẳng người sử dụng.
8.4. CÁC TRẠNG THÁI 3G UMTS RRC VỚI HSDPA/ HSUPA CỦA UE
Máy trạng thái RRC của UE có hai chế độ: chế độ rối (IDLE) và chế độ kết nối (hình 8.6).
Trong chế độ rỗi, sau khi UE bật nguồn, nó chọn một mạng di động để kết
nối. UE chọn một ô thích hợp của mạng này để nhận được các dịch vụ từ nó và điều
chỉnh đến kênh điều khiển và cắm trại tại ô này. Sau khi đã cắm trại đến một ô trong
trạng thái rỗi, UE có thể nhận đươc thông tin hệ thống và các bản tin CB (Cell
Broadcast: quảng bá ô) từ ô này. UE sẽ nằm tại trạng thái rỗi cho đến khi nó phát đi
một yêu cầu thiết lập kết nối RRC. Trong chế độ rỗi, UE được nhận dạng bởi các số
nhận dạng NAS như: IMSI (số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), TMSI (số nhận
dạng thuê bao di động tạm thời) hay P-TMSI (TMSI gói). Trong trạng thái rỗi
UTRAN không thông tin về UE, mạng chỉ có thể tìm được UE qua tìm gọi và UE phải giám sát tìm gọi.
Trong chế độ kết nối ,UE có bốn trạng thái. Cell_DCH là trạng thái được sử dụng
khi truyền dẫn số liệu từ/đến UE tích cực trên kênh DCH hay HSDPA/HSUPA.
Trong trạng thái này cả máy thu và máy phát đều làm việc liên tục nên tiêu thụ công
suất cao. Tuy nhiên UE sẽ phải chuyển vào trạng thái CELL_FACH nếu không xẩy
ra truyền dẫn (có số liệu trong bộ đệm) trong một khoảng thời gian nhất định. Điều
này xẩy ra sau vài giây phụ thuộc vào các cài đặt bộ định thời. Trong trạng thái này
chỉ máy thu làm việc (để giải mã FACH) nên tiêu thụ công suất thấp. Khi UE nằm
trong trạng thái CELL_FACH, cần có báo hiệu trên kênh truy nhập đường xuống
(FACH ) để chuyển UE trở lại CELL_DCH trước khi thực hiện trao đổi số liệu trên lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
HS-DSCH và E-DCH. FACH là một kênh truyền tải đường xuống tốc độ thấp. Các
tài nguyên vật lý để mang kênh FACH được lập cấu hình bán vĩnh cửu bởi RNC và
để cực đại hoá các tài nguyên khả dụng cho HS-DSCH và các kênh khác đường
xuống, khối lượng tài nguyên cho FACH (và tốc độ số liệu FACH tương ứng) thường
là nhỏ, vào khoảng vài chục kbps.
Từ trạng thái Cell_DCH, UE có thể chuyển sang trạng thái Cell_FACH hay các
trang thái khác hoặc trực tiếp từ trạng thái Cell_DCH hay qua trạng thái Cell_FACH
nếu không có số liệu truyền. Các chuyển đổi đòi hỏi thời gian do cần lập lại cấu hình
và các quá trình thiết lập. Dành trước tài nguyên HSDPA/HSUPA khi không có số
liệu truyền là lãng phí dung lượng hệ thống hay tài nguyên BTS. Thời gian có điện
của acqui UE cũng bị ảnh hưởng vì phải duy trì UE tích cực khi không truyền số
liệu và điều này dẫn đến acqui nhanh hết điện. DCH hay HS - Cần tìm gọi được ấn định
Chế độ kết nối
( Connected Mode )
Cell _ DCH
Cell _ PCH Chế độ rỗi
( IDLE MODE )
Cell _ FACH
URA _ PCH FACH tiếp tục được giải mã DSCH/E-DCH để tích cực
Hình 8.6. Các trạng thái RRC với HSDPA/HSUPA
Nếu thời gian rỗi trong truyền dẫn số liệu vẫn tiếp tục trong các khoảng thời gian
dài, UE có thể chuyển sang trạng thái Cell_PCH hay URA_PCH. Trong các trạng
thái này, UTRAN có thể biết vị trí của UE tại mức ô nhưng nó chỉ có thể nối đến
UE qua tìm gọi. Trong trạng thái này UE ở chế độ ngủ và chỉ thức giấc khi giải mã
kênh tìm gọi vì thế các trạng thái này là hiệu suất nhất cho tiêu thụ điện acqui. Về
bản chất, việc sử dụng thu không liên tục chu kỳ (DRX) với thao tác tìm gọi sẽ dẫn
đến trễ bổ sung khi trở lại truyền dẫn số liệu vì trước tiên cần tìm gọi đầu cuối. Điều
này xẩy ra trong một ô (vị trí được biết tại mức ô trong trạng thái Cell_PCH) hay tại
mức vùng đăng ký (trạng thái URA_PCH). Trong trạng thái lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Cell_PCH, mỗi khi UE chuyển vào một ô mới nó phải chuyển vào Cell_FACH để
làm thủ tục cập nhật ô. Trong URA_PCH UE không phải làm thủ tục này mà nó
chỉ cần đọc các số nhận dạng URA (UTRAN Regítration Area: vùng đăng ký
UTRAN) trên BCH (kênh quảng bá) và sau khi vào một ô mới (chọn lại ô) UE chỉ
cần thông báo thay đổi này cho SRNC (Serving RNC: RNC phục vụ). Vì thế
URA_PCH có lợi cho các UE di động cao. Các UE di động cao trong mạng mật độ
cao cần nhiều cập nhật ô, dẫn đến tăng tải RACH, nhưng cần được tìm gọi trong
nhiều ô trong trường hợp tích cực được khởi xướng từ đường xuống. Nếu không
có các vấn đề đặc thù HSDPA/HSUPA trong chế độ rỗi, thao tác này lại sử dụng
DCH. Đặc tả R6 chỉ ra vị trí trong thông tin quảng bá chứa thông báo về việc có hay
không HSDPA/HSUPA, nhưng đây chỉ là thông tin của người sử dụng. và không
gây ảnh hưởng lên mạng hiện thời cũng như tính cách chọn ô. Rõ ràng răng lý do
quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) sẽ quyết định ấn
dịnh HSDPA/HSUPA hay không.
8.5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG (HSDPA)
HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết
hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh
được truyền theo sự điều khiển của nút B.
8.5.1. Truyền dẫn kênh chia sẻ
Đặc điểm chủ yếu cuả HSDPA là truyền dẫn kênh chia sẻ. Trong truyền dẫn kênh
chia sẻ, một bộ phận của tổng tài nguyên vô tuyến đường xuống khả dụng trong ô
(công suất phát và mã định kênh trong WCDMA) đựơc coi là tài nguyên chung được
chia sẻ động theo thời gian giữa các người sử dụng. Truyền dẫn kênh chia sẻ được
thực hiện thông qua kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH: High-Speed
Dowlink Shared Channel). HS-DSCH cho phép cấp phát nhanh một bộ phận tài
nguyên đường xuống để truyền số liệu cho một người sử dụng đặc thù. Phương pháp
này phù hợp cho các ứng dụng số liệu gói thường đựơc truyền theo dạng cụm và vì
thể có các yêu cầu về tài nguyên thay đổi nhanh. Cấu trúc cơ sở thời gian và mã
của HS-DSCH được cho trên hình 8.8. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một
tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
(xem phần trên của hình 8.7), trong đó số mã có thể sử dụng để lập cấu hình cho
HS-DSCH nằm trong khoảng từ 1 đến 18. Các mã không dành cho HS-DSCH được
sử dụng cho mục đích khác, chẳng hạn cho báo hiệu điều khiển, các dịch vụ MBMS
hay các dịch vụ chuyển mạch kênh. SF = 1 SF = 2 SF = 4 SF = 8 SF = 16
Các mã định kênh được sử dụng cho truyền
dẫn HS -DSCH (10 trong thí dụ này ) HS -DSCH TTI Thời gian
Hình 8.8. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH
Phần dưới của hình 8.7 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử
dụng trên cở sở TTI=2ms (TTI: Transmit Time Interval: Khoảng thời gian truyền
dẫn). HSPDA sử dụng TTI ngắn để giảm trễ và cải thiện quá trình bám theo các thay
đổi của kênh cho mục đích điều khiển tốc độ và lập biểu phụ thuộc kênh (sẽ xét trong phần dưới).
Ngoài việc được ấn định một bộ phận cuả tổng tài nguyên mã khả dụng, một phần
tổng công suất khả dụng của ô phải được ấn định cho truyền dẫn HSDSCH. Lưu ý
rằng HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển tốc độ. Trong
trường hợp sử dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA,
phần công suất còn lại có thể được sử dụng cho HSDSCH, điều này cho phép khai
thác hiệu quả tổng tài nguyên công suất khả dụng. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
8.5.2. Lập biểu phụ thuộc kênh
Lập biểu (Scheduler) điều khiển việc dành kênh chia sẻ cho người sử dụng nào tại
một thời điểm cho trước. Bộ lập biểu này là một phần tử then chốt và quyết định rất
lớn đến tổng hiệu năng của hệ thống, đặc biệt khi mạng có tải cao. Trong mỗi TTI,
Bộ lập biểu quyết định HS-DSCH sẽ được phát đến người (hoặc các người) sử dụng
nào kết hợp chặt chẽ với cơ chế điều khiển tốc độ (tại tốc độ số liệu nào).
Dung lượng hệ thống có thể được tăng đáng kể khi có xét đến các điều kiện kênh
trong quyết định lập biểu: lập biểu phụ thuộc kênh. Vì trong một ô, các điều kiện
của các đường truyền vô tuyến đối với các UE khác nhau thay đổi độc lập, nên tại
từng thời điểm luôn luôn tồn tại một đường truyền vô tuyến có chất lượng kênh gần
với đỉnh của nó (hình 8.8). Vì thế có thể truyền tốc độ số liệu cao đối với đường
truyền vô tuyến này. Giải pháp này cho phép hệ thống đạt được dung lượng cao. Độ
lợi nhận được khi truyền dẫn dành cho các người sử dụng có các điều kiện đường
truyền vô tuyến thuận lợi thường đựơc gọi là phân tập đa người sử dụng và độ lợi
này càng lớn khi thay đổi kênh càng lớn và số người sử dụng trong một ô càng lớn.
Vì thế trái với quan điểm truyền thống rằng phađinh nhanh là hiệu ứng không mong
muốn và rằng cần chống lại nó, bằng cách lập biểu phụ thuộc kênh phađinh có lợi và cần khai thác nó.
Chiến lược cuả bộ lập biểu thực tế là khai thác các thay đổi ngắn hạn (do phađinh
đa đường) và các thay đổi nhiễu nhanh nhưng vẫn duy trì được tính công bằng dài
hạn giữa các người sử dụng. Về nguyên tắc, sự mất công bằng dài hạn càng lớn thì
dung lượng càng cao. Vì thế cần cân đối giữa tính công bằng và dung lượng. Các thay đổi kênh hiệu dụng nhìn từ nút B Người sử dụng # 1 Người sử dụng # 2 Người sử dụng # 3 # 1 # 3 # 2 # 3 # 1
Hình 8.8. Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Ngoài các điều kiện kênh, bộ lập biểu cũng cần xét đến các điều kiện lưu lượng.
Chẳng hạn, sẽ vô nghiã nếu lập biểu cho một người sử dụng không có số liệu đợi
truyền dẫn cho dù điều kiện kênh cuả người sử dụng này tốt. Ngoài ra một số dịch
vụ cần được cho mức ưu tiên cao hơn. Chẳng hạn các dịch vụ luồng đòi hỏi đựơc
đảm bảo tốc độ số liệu tương đối không đổi dài hạn, trong khi các dịch vụ nền như
tải xuống không có yêu cầu gắt gao về tốc độ số liệu không đổi dài hạn.
Nguyên lý lập biểu của HSDPA được cho trên hình 8.9. Nút B đánh giá chất lượng
kênh của từng người sử dụng HSDPA tích cực dựa trên thông tin phản hồi nhận được
từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được tiến hành theo giải
thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng. Lập biểu nhanh Nút B dựa trên:
1. Phản hồi chất lượng 2. Khả năng UE 3. Khả dụng tài nguyên 4. Trạng thái bộ đệm 5. QoS và mức ưu tiên
Hình 8.9. Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B
8.5.3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao
Điều khiển tốc độ đã được coi là phương tiện thích ứng đường truyền cho các dịch
vụ truyền số liệu hiệu quả hơn so với điều khiển công suất thường đựơc sử dụng
trong CDMA, đặc biệt là khi nó được sử dụng cùng với lập biểu phụ thuộc kênh.
Đối với HSDPA, điều khiển tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh động tỷ lệ
mã hóa kênh và chọn lựa động giữa điều chế QPSK,16QAM và 64QAM. Điều chế lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
bậc cao như 64 QAM và 64 QAM cho phép đạt được mức độ sử dụng băng thông
cao hơn QPSK nhưng đòi hỏi tỷ số tín hiệu trên tạp âm
(Eb/N0) cao hơn. Vì thế 64 QAM và 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều
kiện kênh thuận lơi. Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ
chế điều điều khiển tốc độ có thể bám theo các thay đổi kênh nhanh.
8.5.3.1. Mã hóa kênh HS-DSCH
Do mã hóa turbo có hiệu năng vượt trội mã hóa xơắn nên HS-DSCH chỉ sử dụng
mã hóa turbo. Nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa turbo như sau (hình 8.10a). Luồng
số đưa vào bộ mã hóa turbo đựơc chia thành ba nhánh, nhánh thứ nhất không đựơc
mã hóa và các bit ra của nhánh này đựơc gọi là các bit hệ thống, nhánh thứ hai và
thứ ba đựơc mã hóa và các bit ra của chúng được gọi là các bit chẵn lẻ 1 và 2. Như
vậy cứ một bit vào thì có ba bit ra, nên bộ mã hóa turbo này có tỷ lệ mã là r=1/3. Tỷ
lệ này có thể giảm nếu ta bỏ bớt một số bit chẵn lẻ và quá trình này đựơc gọi là đục lỗ (hình 4.8b).
b) Các bit đầu ra bộ mã hóa turbo Ký hiệu:
d: bit hệ thống (không đựơc mã hóa) P1: bit chẵn lẻ 1 P2: bit chẵn lẻ 2
Hình 8.10. Mã hóa turbo và đục lỗ lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
8.5.3.2. Điều chế HS-DSCH
HS-DSCH có thể sử dụng điều chế QPSK và 16-QAM. Chùm tín hiệu QPSK và
16QAM được cho trên hình 8.11.
Điều chế QPSK chỉ cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền đựơc hai bit, trong khi
đó điều chế 16QAM cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được bốn bit vì thế
16QAM cho phép truyền tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên từ hình 4.9 ta thấy khoảng
cách giữa hai điểm tín hiệu trong chùm tín hiệu 16QAM lại ngắn hơn khoảng cách
này trong chùm tín hiệu QPSK và vì thế khả năng chịu nhiễu và tạp âm của 16QAM kém hơn QPSK. Khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm của chùm tín hiệu QPSK 16 - QAM
Hình 8.11. Chùm tín hiệu điều chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu
giữa hai điểm tín hiệu
8.5.3.3. Truyền dẫn thích ứng trên cơ sở điều chế và mã hóa kênh thích ứng
Truyển dẫn thích ứng là quá trình truyền dẫn trong đó tốc độ số liệu đựơc thay đổi
tùy thuộc vào chất lượng đường truyền: tốc độ đường truyền được tăng khi chất
lượng đường truyền tốt hơn, ngược lại tốc độ đường truyền bị giảm. Để thay đổi
tốc độ truyền phù hợp với chất lượng kênh, hệ thống thực hiện thay đổi sơ đồ điều
chế và tỷ lệ mã nên phương pháp này đựơc gọi là điều chế và mã hóa thích ứng lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
(AMC: Adaptive Modulation and Coding). Chẳng hạn khi chất lượng đường truyền
tốt hơn, hệ thống có thể tăng tốc độ truyền dẫn số liệu bằng cách chọn sơ đồ điều
chế 16QAM và tăng tỷ lệ mã bằng 3/4 bằng cách đục lỗ, trái lại khi chất lượng truyền
dẫn tồi hơn hệ thống có thể giảm tốc độ truyền dẫn bằng cách sử dụng sơ đồ điều
chế QPSK và không đục lỗ để giảm tỷ lệ bằng 1/3.
8.5.4. HARQ với kết hợp mềm
HARQ với kết hợp mềm (Soft Combining) cho phép đầu cuối yêu cầu phát lại các
khối thu mắc lỗi, đồng thời điều chỉnh mịn tỷ lệ mã hiệu dụng và bù trừ các lỗi gây
ra do cơ chế thích ứng đường truyền. Đầu cuối giải mã từng khối truyền tải mã nó
nhận được rồi báo cáo về nút B về việc giải mã thành công hay thất bại cứ 5ms một
lần sau khi thu đựơc khối này. Cách làm này cho phép phát lại nhanh chóng các khối
số liệu thu không thành công và giảm đáng kể trễ liên quan đế phát lại so với phát hành R3.
Nguyên lý xử lý phát lại HSDPA đựơc minh họa trên hình 8.12. Đầu tiên gói được
nhận vào bộ nhớ đệm của nút B. Ngay cả khi gói đã được gửi đi nút B vẫn giữ gói
này. Nếu UE giải mã thất bại nó lưu gói nhận được vào bộ nhớ đệm và gửi lệnh
không công nhận (NAK) đến nút B. Nút B phát lại cả gói hoặc chỉ phần sửa lỗi của
gói tùy thuộc vào giải thuật kết hợp gói tại UE. UE kết hợp gói phát trước với gói
được phát lại và giải mã. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút B thực hiện
phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại.
Phát theo RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu
chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ công nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 8.12. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B
Không như HARQ truyền thống, trong kết hợp mềm, đầu cuối không loại bỏ thông
tin mềm trong trường hợp nó không thể giải mã đựơc khối truyền tải mà kết hợp
thông tin mềm từ các lần phát trước đó với phát lại hiện thời để tăng xác suất giải
mã thành công. Tăng phần dư (IR) được sử dụng làm cơ sở cho kết hợp mềm trong
HSDPA, nghiã là các lần phát lại có thể chứa các bit chẵn lẻ không có trong các lần
phát trước. IR có thể cung cấp độ lợi đáng kể khi tỷ lệ mã đối với lần phát đầu cao
vì các bit chẵn lẻ bổ sung làm giảm tổng tỷ lệ mã. Vì thế IR chủ yếu hữu ích trong
tình trạng giới hạn băng thông khi đầu cuối ở gần trạm gốc và số lượng các mã định
kênh chứ không phải công suất hạn chế tốc độ số liệu khả dụng. Nút B điều khiển
tập các bit đựơc mã hóa sẽ sử dụng để phát lại có xét đến dung lượng nhớ khả dụng của UE.
Các hình 8.13 cho thấy thí dụ về sử dụng HARQ sử dụng mã turbo cơ sở tỷ lệ mã
r=1/3 cho kết hợp phần dư tăng. Trong lần phát đầu gói bao gồm tất cả các bit thông
tin cùng với một số bit chẵn lẻ được phát. Đến lần phát lại chỉ các bit chẵn lẻ khác
với các bit chẵn lẻ đựơc phát trong gói trước là được phát. Kết hợp gói phát trước
và gói phát sau cho ra một gói có nhiều bit dư để sửa lỗi hơn và vì thế đây là sơ đồ kết hợp phần dư tăng. Bộ mã hóa Turbo lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Hình 8.13. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo
8.5.5 Các kênh của HSDPA
Tương tự như 3G WCDMA UMTS, 3G HSPA UMTS cũng có các kênh LoCH,
TrCH và PhCH. Vì được phát triển trên nền WCDMA, nên ngoài các kênh đã có
của WCDMA, HSPA còn có thể một số kênh mới. Hình 8.14 cho thấy các kênh
mới của 3G HSDPA UMTS trong UP. a) Đường lên SAP HS-DSCH lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
DTCH: Dedicated Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng
DCH: Dedicated Channel: kênh riêng
HS-DSCH: High Speed Dowlink Shared Channel: kênh đường xuống chia sẻ tốc độ cao
HS-SCCH: High Speed Shared Control Channel: kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao
HS-PDSCH: High Speed Physical Downlink Shared Channel: kênh vật lý đường xuống chia sẻ tốc độ cao HS-DPCCH: High Speed Dedicated Physical Channel L1: Lớp 1
HS-DSCH là kênh lưu lượng gói chia sẻ cho nhiều người sử dụng
HS-PDSCH là kênh vật lý để mang HS-DSCH
HS-SCCH kênh đi kèm với HS-DSCH để mang thông tin điều khiển lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ
HS-DPCCH là kênh phản hổi đường lên điều khiển lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ
Hình 8.14. Các kênh mới của 3G HSDPA UMTS trong UP
Cấu trúc kênh tổng thể của các kênh HSDPA kết hợp các WCDMA được cho trên hình 8.18. sử dụng
điều khiển cho điều khiển
sử dụng đường điều khiển cho điều khiển đường xuống HS-DSCH công suất lên DPDCH liên quan đến HS-DSCH
Hình 8.18. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA
Dưới đây ta tổng kết chức năng của các kênh trong HSDPA:
1. HS-DSCH (High Speed- Downlink Shared Channel) là kênh truyền tải được
sắp xếp lên nhiều kênh vật lý HS-PDSCH để truyền tải lưu lượng gói chia sẻ cho
nhiều người sử dụng, trong đó mỗi HS-PDSCH có hệ số trải phổ không đổi và
bằng 16. Cấu hình cực đại của HS-DSCH là 15SF16 (tương ứng với tốc độ đỉnh
khi điều chế 16QAM và tỷ lệ mã 1/1 là 14,4Mbps). Các người sử dụng chia sẻ
HS-DSCH theo số kênh vật lý HS-PDSCH (số mã với SF=16) và khoảng thời gian truyền dẫn TTI=2ms. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
2. HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel) sử dụng hệ số trải phổ 128
và có cấu trúc thời gian dựa trên một khung con có độ dài 2ms bằng độ dài cuả
HS-DSCH. Các thông tin sau đây đựơc mang trên HS-SCCH: Số mã định kênh Sơ đồ điều chế
Kích thước khối truyền tải
Gói được phát là gói mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC Phiên bản dư
Phiên bản chùm tín hiệu
Khi HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo thời gian, chỉ cần lập cấu hình
một HS-SCCH, nhưng khi HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo mã thì cần
có nhiều HS-SCCH hơn. Một UE có thể xem xét được nhiều nhất là 4 HSSCCH
tùy vào cấu hình đựơc lập bởi hệ thống.
3. HS-DPCCH (High Speed- Dedicated Physical Control Channel) đường lên có
hệ số trải phổ 256 và cấu trúc từ 3 khe 2ms chứa các thông tin sau đây:
Thông tin phản hồi (CQI: Channel Quality Indicator: chỉ thị chất lượng kênh)
để báo cho bộ lập biểu nút B về tôc độ số liệu mà UE mong muốn
ACK/NAK (công nhận và phủ nhận) cho HARQ
4. DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) đi cùng với HS-DPCCH đường
lên chưá các thông tin giống như ở R3.
5. F-DPCH (Fractional- Dedicated Physical Channel) đường xuống có hệ số trải
phổ 256 chứa thông tin điều khiển công suất cho 10 người sử dụng để tiết kiệm
tài nguyên mã trong truyền dẫn gói
Từ các phần trên ta thấy rằng các kỹ thuật HSDPA dựa trên thích ứng nhanh đối với
các thay đổi nhanh trong các điều kiện kênh. Vì thế các kỹ thuật này phải đựơc đặt
gần với giao diện vô tuyến tại phía mạng, nghĩa là tại nút B. Ngoài ra một mục tiêu
quan trọng của HSDPA là duy trì tối đa sự phân chia chức năng giữa các lớp và các
nút của R3. Cần giảm thiểu sự thay đổi kiến trúc, vì điều này sẽ đơn giản hóa việc
đưa HSDPA vào các mạng đã triển khai cũng như đảm bảo hoạt động trong các môi
trường mà ở đó không phải tất cả các ô đều được nâng cấp bằng chức năng HSDPA. lOMoAR cPSD| 58977565 TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Vì thế HSDPA đưa vào nút B một lớp con MAC mới, MA-hs, chịu trách nhiệm cho
lập biểu, điều khiển tốc độ và khai thác giao thức HARQ. Do vậy ngoại trừ các tăng
cường cho RNC như điều khiển cho phép
HSDPA đối với các người sử dụng, HSDPA chủ yếu tác động lên nút B (hình 8.16). Đ ến m ạnh lõi RNC RNC Đến các Đến các nút nút B khác B khác ( F -)
Chức năng MAC - hs DPCH trên DL DCH trên UL - Lập biểu - Thích ứng tốc độ - HARQ Nút B Ô phục vụ Ô không phục vụ
Hình 8.16. Kiến trúc HSDPA
Mỗi UE sử dụng HSDPA sẽ thu truyền dẫn HS-DSCH từ một ô (ô phục vụ). Ô
phục vụ chịu trách nhiệm lập biểu, điều khiển tốc độ, HARQ và các chức năng
MAC-hs khác cho HSDPA. Chuyển giao mềm đường lên được hỗ trợ trong đó
truyền dẫn số liệu đường lên sẽ thu được từ nhiều ô và UE sẽ nhận được các lệnh
điều khiển công suất từ nhiều ô.
Di động từ một ô hỗ trợ HSDPA đến một ô không hỗ trợ HSDPA được xử lý dễ
ràng. Có thể đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn cho người sử dụng (mặc dù tại tốc
độ số liệu thấp hơn) bằng chuyển mạch kênh trong RNC trong đó người sử dụng
được chuyển mạch đến kênh dành riêng (DCH) trong ô không có HSDPA. Tương
tự, một người sử dụng được trang bị đầu cuối có HSDPA có thể chuyển mạch từ
kênh riêng sang HSDPA khi người này chuyển vào ô có hỗ trợ HSDPA.