Đánh giá hiệu năng trong mạng HSPA

Các đặc điểm chính của HSDPA HSDPA được thiết kế để tăng bâng thông gói dữ liệu đường xuống bằng cách truyền dẫn lại nhanh lớp vật lý Lớp 1, lập biểu tại lớp B, phát lặp lại nhanh và t

1

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ MẠNG HSPA

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HSPA

HSPA (High-Speed Packet Access) là công nghệ truyền dẫn không dây di động, gồm hai giao thức HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và HPUSA (High Speed Uplink Packet Access) Mục tiêu của HSPA là mở rộng giao diện vô tuyến của WCDMA, tăng cường hiệu năng và dung lượng (tốc độ số liệu đỉnh cao) của WCDMA Để đạt mục tiêu này, HSPA sử dụng một số kĩ thuật như: điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm…

1.2 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG HSDPA

1.2.1 Các đặc điểm chính của HSDPA

HSDPA được thiết kế để tăng bâng thông gói dữ liệu đường xuống bằng cách truyền dẫn lại nhanh lớp vật lý ( Lớp 1), lập biểu tại lớp B, phát lặp lại nhanh và thích ứng đường truyền tại lớp vật lý

2

Hình 1.4: Nguyên lý lập biểu HSDPA Node B [4]

1.3.2 Kênh truyền tải và kênh vật lý điều khiển đường xuống

a High-Speed downlink shared channel: Kênh HS-DSCH là kênh truyền tải mà tải dữ liệu người

dùng trong HSDPA Kênh này được truyền bởi kênh vậy lý HS-PDSCH Trong kênh HS-DSCH sử dụng thích ứng đường truyền nhờ cách chọn tổ hợp các mã định kênh, mã hóa kênh và điều chế thích hợp Hỗ trợ điều chế biên độ 16QAM Node B lập biểu cho người sử dụng (ấn định tài nguyên vô tuyến) trong khoảng thời gian 2ms, và thông báo lập biểu nhanh thực hiện ở lớp vật lý

b High-Speed shared control channel (HS-SCCH): HS-SCCH tải các thông tin báo hiệu mà cho

phép thiết bị đầu cuối giải điều chế mã chính xác Kênh HS-SCCH dùng hệ số trải phổ 128 cho 40 bit/khe để mang thông tin (dùng điều chế QPSK)

c Kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao (HS-DPCCH): Hoạt động HSDPA cần thông tin hồi tiếp

vật lý ở đường lên (từ thiết bị đầu cuối đến trạm gốc) để cho phép thích ứng đường truyền và truyền dẫn lại lớp vật lý Thông tin hồi tiếp ở đường lên này được mang trên kênh HS-DPCCH

d Kênh DPCH một phần (Fractional Dedicated Physical Channel): dùng để tối ưu hóa tốc độ dữ liệu đường

xuống cho các dịch vụ dữ liệu gói

1.3 TRUY CẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN HSUPA

1.3.1 Các đặc điểm chính của HSUPA

Cũng như HSDPA, nhằm để tăng tốc độ đường lên, thì tại node B có sử dụng HARQ, cơ chế lập biểu và truyền dẫn đa mã

Sự khác biệt chính trong hệ thống HSUPA thật chất là kênh truyền tải đường lên mới E-DCH Kênh truyền tải E-DCH hỗ trợ lập biểu nhanh tại node B, HARQ nhanh tại lớp vật lý với Incremental Redundancy

và tùy chọn khoảng cách thời gian truyền dẫn ngắn TTI 2ms Không giống như HSDPA, HSUPA không có kênh chia sẻ, nhưng nó một kênh riêng, bởi cấu trúc của kênh E-DCH giống như kênh DCH ở trong Release

99 nhưng lập biểu và HARQ nhanh hơn

1.3.2 Kênh truyền tải và kênh báo hiệu vật lý

a Kênh truyền tải E-DCH: HSUPA có một kênh truyền tải đường lên mới E-DCH, mà hỗ trợ các

đặc điểm tăng cường so với các kênh truyền tải đường lên của Release 99 Xử lý kênh truyền tải đường lên E-DCH cũng giống như xử lý kênh truyền tải DCH

b Kênh dữ liệu vật lý riêng E-DCH: E-DPDCH là một kênh vật lý đường riêng mới được dùng để

truyền dẫn các bit từ di động đến trạm gốc Nó là một kênh mới và tồn tại song song với một số kênh vật lý

3

đường lên (DPDCH và DPCCH được dùng truyền dẫn dữ liệu đường lên và HS-DPCCH được dùng để chuyển thông tin hồi tiếp HSDPA)

c.Kênh điều khiển vật lý riêng E-DCH: E-DPCCH là một kênh vật lý đường lên mới được dùng để

truyền thông tin về kênh truyền dẫn E-DPDCH từ di động đến BTS

d Kênh chỉ thị HARQ của E-DCH (E-HICH): Kênh E-HICH là một kênh đường xuống mới được

dùng để truyền các thông tin về HARQ

e E-DCH relative grant channel (E-RGCH): Kênh cho phép tương đối E-RGCH là một kênh vật lý

đường xuống cho truyền dẫn lập biểu mà ảnh hưởng công suất truyền dẫn tương đối, để cho UE dùng truyền dẫn dữ liệu (E-DPDCH)

f E-DCH absolute grant channel (E-AGCH): E-AGCH là một kênh vật lý đường xuống mới mang

thông tin truyền dẫn một giá trị tuyệt đối quyết định lập biểu ở node B

1.4 MỘT SỐ DỊCH VỤ ĐANG TRIỂN KHAI TRÊN MẠNG HSPA

1.4.1 Các loại hình dịch vụ trong mạng HSPA

Các người sử dụng dịch vụ chuyển mạch kênh được đảm bảo tốc độ số liệu cố định Chất lượng dịch

vụ trong ngữ cảnh các dịch vụ thoại và thoại có hình được định nghĩa bởi chất lượng tiếng và hình theo thụ cảm

Để đạt được tính mềm dẻo, khả năng cho nhiều loại hình dịch vụ thì HSPA có được:

o Tốc độ bit dữ liệu cao: có thể lên đến tối đa 14.4 Mbps trong 3GPP Release 5 và có thể lên đến 28.8 Mbps trong Release 7

o Độ trễ RTT thấp dưới 100ms ở trong Relese 5, thậm chí ở trong Release 6 chỉ có là 50ms

o Cho chất lượng dịch vụ QoS ngày càng cao

o Cung cấp dịch vụ thoại và số liệu tức thời

o Có khả năng cùng tồn tại song song với mạng GSM và cả mạng GPRS

Một số dịch vụ có thể triển khai trong mạng HSPA như:

 Dịch vụ thoại AMR, video (CS)

 Messaging

 Music và download game

 Mobile-TV streaming

4

 Chia sẻ video thời gian thực

 Push – to – talk

 Push e-mail

 Chơi game online

 Mobile weblog

 Truy cập băng rộng không dây

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

HSDPA bắt đầu nghiên cứu vào năm 2000, nhằm cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống hơn so với đặc tả Release 99 Các vấn đề để cải thiện như là truyền dẫn tại lớp vật lý và lập biểu tại BTS được nghiên cứu cũng như điều chế và mã hóa thích ứng Chủ yếu là kênh HS-DSCH kết hợp cùng với các vật lý điều khiển báo hiệu mới như là HS-SCCH, HS-DPCCH, F-DPCH….làm tăng tốc độ truyền dẫn ở đường xuống Cùng với các loại thiết bị hỗ trợ cho các hoạt động của HSDPA

Còn trong HSUPA, chủ yếu là nói đến kênh E-DCH Được nghiên cứu sau khi đã hoàn thành xong chuẩn HSDPA, bắt đầu nghiên cứu vào tháng 9 năm 2002 Các kĩ thuật cải tiến ở trong HSUPA bao gồm như: yêu cầu phát lại lớp vật lý cho đường lên, lập biểu đường lên tại nút B, có chiều dài truyền dẫn TTI ngắn hơn, điều chế bậc cao hơn, mà tùy thuộc vào từng loại thiết bị hỗ trợ cho HSUPA Nhờ những cái tiến như vậy làm tăng tốc độ hiệu năng của HSPA và được nói rõ các giải pháp nâng cao hiệu năng ở chương 2

CHƯƠNG 2 - GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HSPA

2.1 CÁC GIẢI PHÁP CHO HSDPA

a Lập biểu phụ thuộc kênh

Một trong các nguyên lý cơ sở của HSDPA là lập biểu phụ thuộc kênh Bộ lập biểu trong MAC-hs điều khiển việc sẽ sử dụng phần mã chia sẻ nào và tài nguyên công suất nào cho người sử dụng nào trong một TTI cho trước Đây là phần tử quan trọng và cũng là phần tử quyết định ở một mức độ rất lớn tổng hiệu năng của hệ thống HSDPA, đặc biệt là trong một mạng có tải lớn Khi tải thấp, chỉ có một hoặc một ít người

sử dụng được lập biểu và sự khác biệt giữa các chiến lược lập biểu khác nhau là không rõ ràng

Nguyên lý lập biểu được cho ở hình 1.4 Mặc dù 3GPP không đặc tả việc thực hiện bộ lập biểu, nhưng mục đích tổng thể của hầu hết các bộ lập biểu là lợi dụng các thay đổi của kênh giữa các người sử dụng và lập biểu truyền dẫn ưu tiên cho người sử dụng có các điều kiện kênh tốt nhất Như thể hiện ở trong hình 2.1

5

Hình 2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh HSDPA [4]

b Thích ứng đường truyền

Thích ứng đường truyền là động khi nó hoạt động với kênh HS-DSCH trong 2ms Ngoài ra, quyết định lập biểu, lớp MAC-hs trong BTS cũng sẽ quyết định 2ms mà kết hợp với điều chế và mã hóa để truyền dẫn Thích ứng đường truyền dựa trên thông tin CQI lớp vật lý được cung cấp bởi thiết bị đầu cuối

6

Hình 2.2: Chế độ thích ứng đường truyền [4]

c HARQ với kết hợp mềm

Chức năng của HARQ được đặc tả trong lớp MAC-hs và lớp vật lý Vì MAC-hs được đặt trong nút

B, nên các khối truyền tải bị mắc lỗi có thể được phát lại nhanh

HARQ với kết hợp mềm được chia thành 2 loại : Chase Combining và Incremental Redundancy, phụ thuộc vào việc có đòi hỏi phát lại tương tự như lần phát lại ban đầu hay không (hay chỉ phát phần dư tăng)

Chase combining: được thực hiện với việc phát lại cùng tập các bit được mã hóa giống như lần

truyền đầu tiên Sau mỗi lần phát lại máy thu sử dụng kết hợp tỉ lệ cực đại để kết hợp từng bit thu được với các bit của các lần truyền dẫn trước và tín hiệu sau kết hợp được đưa đến bộ giải mã

Hình 2.4: Thí dụ chase combining [8]

7

Incremental Redundancy: mỗi lần phát lại không giống như lần phát đầu tiên Thay vào đó, nhiều tập

các bit được mã hóa thành các tập mang thông tin Mỗi khi cần phát lại, phát lại sẽ sử dụng một tập các bit được mã hóa khác với lần trước đó Máy thu kết hợp với phát lại này với các lần phát trước của cùng một gói Sau đó chúng sẽ bổ sung cho nhau trong các lần phát lại trước nên sẽ giảm được tỉ lệ lỗi sau mỗi lần phát

Hình 2.5: Thí dụ Incremental Redundancy [8]

d Điều chế bậc cao

Trong trường hợp UE có tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao, điều chế bậc cao sẽ rất hữu dụng trong trường hợp này

e Kỹ thuật đa anten

Các kĩ thuật đa anten được sử dụng để cải thiện hiệu năng hệ thống bao gồm: cải thiện dung lượng

hệ thống và vùng phủ cũng như cung cấp dịch vụ tốt hơn như tốc độ số liệu trên một người sử dụng cao hơn Các kĩ thuật này bao gồm sử dụng nhiều anten tại máy phát và máy thu

2.2 CÁC GIẢI PHÁP CHO HSUPA

a Lập biểu

Đối với HSUPA, bộ lập biểu là phần tử then chốt để điều khiển khi nào và tại tốc độ số liệu nào một

UE được phép phát Đầu cuối sử dụng tốc độ càng cao, thì công suất thu từ đầu cuối tại nút B cũng phải càng cao để đảm bảo tỷ số Eb/N0 cần thiết cho giải điều chế Bằng cách tăng công suất phát, UE có thể phát tốc

độ số liệu cao hơn

tại mức quy định

Trong HSDPA, thông thường một người sử dụng được xử lý trong một TTI Đối với HSUPA, trong hầu hết các trường hợp chiến lược lập biểu đường lên đặc thù thực hiện lập biểu đồng thời cho nhiều người

sử dụng Lý do vì một đầu cuối có công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất nút B

8

Yêu c ầu

Cho p

hép t

ương

đối

Ch

ỉ thị quá tải

Ô không phục vụ

Ô phục vụ

Yêu cầu

Cho phép tuyệt đối

Các cho phép tương đối

Cho p

hép t

uyệt đố i

Hình 2.6: Tổng quan hoạt động lập biểu [4]

Nhiễu giữa các ô cũng cần được điều khiển Thậm chí nếu bộ lập biểu đã cho phép một UE phát tại tốc độ số liệu cao trên cơ sở mức nhiễu nội ô chấp nhận được, nhưng vẫn có thể gây nhiễu không chấp nhận được đối với các ô lân cận Vì thế trong chuyển giao mềm, ô phục vụ chịu trách nhiệm chính cho hoạt động lập biểu, nhưng UE giám sát thông tin lập biểu từ tất cả các ô mà UE nằm trong chuyển giao mềm Các ô không phục vụ yêu cầu tất cả các người sử dụng không được phục vụ hạ tốc độ số liệu E-DCH bằng cách phát đi chỉ thị quá tải trên đường xuống Cơ chế này đảm bảo hoạt động ổn định cho mạng

Lập biểu nhanh cung cấp một chiến lược cho phép kết nối mềm dẻo hơn Vì cơ chế lập biểu cho phép xử lý tình trạng trong đó nhiều người sử dụng cần phát đồng thời, nên số người sử dụng số liệu gói tốc

độ cao mang tin cụm được cho phép lớn hơn Nếu điều này gây ra mức nhiễu cao không thể chấp nhận được trong hệ thống, thì bộ lập biểu có thể phản ứng nhanh chóng để hạn chế các tốc độ số liệu mà các UE có thể

sử dụng Không có lập biểu nhanh, điều khiển cho phép có thể chậm trễ hơn và phải dành một dự trữ nhiễu trong hệ thống trong trường hợp nhiều người sử dụng hoạt động đồng thời

b HARQ với kết hợp mềm

HARQ nhanh với kết hợp mềm được HSUPA sử dụng với mục đích cơ bản giống như HSDPA: để đảm bảo tính bền vững chống lại các sai lỗi truyền dẫn ngẫu nhiên Sơ đồ được sử dụng giống như HSDPA Đối với từng khối truyền tải được phát trên đường lên, một bit được phát từ nút B đến UE để thông báo giải

mã thành công (ACK) hay yêu cầu phát lại khối truyền tải thu bị mắc lỗi (NACK)

9

HARQ với kết hợp mềm có thể được khai thác không chỉ để đảm bảo tính bền vững chống lại nhiễu không dự đoán được mà còn cải thiện hiệu suất đường truyền để tăng dung lượng và vùng phủ

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

WCDMA Release 99 cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 384 kbps ở đường xuống Trong khi đó HSDPA có thể đây tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 1.8 và 3.6 Mbps và có thể lên đến 10 Mbps Để đạt được các kết quả này, HSDPA đã sử dụng truyền dẫn lại ở lớp vật lý, thích ứng đường truyền, tăng độ dư thừa Tốc độ

dữ liệu cực đại đạt được tùy thuộc vào từng loại UE có khả năng khác nhau

HSDPA giảm độ trễ của mạng so với kênh DCH trong WCDMA Release 99 Việc tính toán và đo đạc đã chỉ ra rằng RTT trung bình có thể dưới 100 ms với HSDPA đường xuống và kênh DCH Release 99 ở đường lên Với HSUPA ở đường lên thì RTT có thể đạt được dưới 50 ms

Còn đối với HSUPA, thì trong WCDMA Release 99, thì tốc độ dữ liệu cực đại ở đường lên là 384 kbps trong khi đó, HSUPA có thể đạt tốc độ dữ liệu lên đến 1-2 Mbps và có khi lên đến 3-5 Mbps Tốc độ dữ liệu cao hơn trong HSUPA đạt được do điều chế bậc cao hơn Cũng giống như trong HSDPA, thì HSUPA cũng sử dụng truyền dẫn lại lớp 1 với HARQ và lập biểu tại node B nhanh Nhờ kĩ thuật truyền lại nhanh làm giảm độ trễ đáng kể so với kênh DCH trong Release 99

CHƯƠNG 3 -ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HSPA

3.1 TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MẠNG HSPA

 Tỉ lệ lỗi bit (BER) là số lượng bit lỗi chia cho tổng số lượng bit truyền đi trong suốt một kênh truyền BER là một trong những phương pháp đo hiệu năng, thường được tính dưới dạng phần trăm [7]

 FER (Frame Error Rate) cũng là một trong những tham số đánh giá hiệu năng của HSPA Một frame lỗi được định nghĩa là một frame nhận được mà dò tìm có bit lỗi (mã lỗi kiểm tra

mã vòng dư CRC)

 So sánh tốc độ dữ liệu của HSDPA có sử dụng công nghệ truyền dẫn lại nhanh và thích ứng đường truyền với tốc độ dữ liệu chuẩn Shannon

 Thông lượng ô trung bình: Tổng số dữ liệu trung bình từ tất cả người dùng trong mộ ô mà có thể được thu trong suốt tổng thời gian

 Thông lượng cuộc gọi mất 10%: chỉ ra thông lượng người dùng bị tổn thất 10%

 Eb/N0: công suất yêu cầu trên năng lượng 1bit thông tin trên tạp âm để có một tốc độ bit đảm bảo với một xác xuất lỗi khối

10

 Ec/N0: Yêu cầu năng lượng 1 chip trên tạp âm để đảm bảo tốc độ bit với một xác xuất lỗi khối nào đó

 Và ngoài ra còn có nhiều tiêu chí khác Tuy nhiên, luận văn tập trung vào mô phỏng tỉ lệ lỗi bit (BER) khi truyền qua kênh vô tuyến chịu ảnh hưởng của nhiều Rayleigh và AWGN

3.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

3.2.1 Mô tả

Luận văn tập trung đánh giá kết quả chất lượng mạng hiệu năng truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Chủ yếu là hiệu năng link của kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH) Thông qua các tham số về khả năng điều chế, mã hóa Turbo, số lượng frame được truyền thông qua môi trường AWGN hay bị nhiễu kênh reileigh Chương trình mô phỏng đưa ra được khả năng dung lượng của kênh HSDPA trong môi trường lý thuyết

Các tham số được đánh giá các yêu cầu hiệu năng HSDPA được định nghĩa trong [5].Trong chương trình mô phỏng này tập trung đánh giá hiệu năng một liên kết đơn của kênh HS-DSCH với các lược độ mã hóa và điều chế có sẵn Trong [5] với các kênh test được định nghĩa đánh dấu từ H-SET1 đến H-SET6

Với K_info là tải thông tin được truyền thông qua 1 TTI Vậy đối với 1 kênh tham khảo cố định từ H_SET1 đến H_SET5, ta có 1 sơ đồ đóng gói các bit thông tin như sau:

Hình 3.2: Sơ đồ đóng gói bản tin [5]

Chương trình mô phỏng trong đồ án được viết sử dụng ngôn ngữ Matlab, các file giao diện dưới dạng các fig (mỗi modul giao diện hệ thống là một file) và các hàm chính là các file dạng m

Hình 3.3 trình bày mô hình hệ thống được dùng trong chương trình của luận văn Trong phạm vi nghiên cứu sinh, em đã đơn giả hệ thống, chỉ bao gồm một số thành phần cơ bản