Giáo trình lộ trình phát triển thông tin di động 3g lên 4g tập 2 TS nguyên phạm anh dũng

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 được coi là tài nguyên chung được chia sẻ

NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

GD 01 HM 10

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh

nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,8 tỷ tính đến cuối năm 2008 Khởi

nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền phục vụ một số ít người di chuyển, đến

nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế

hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi

tốc độ số liệu cao kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA Với các

dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày càng trở nên phổ biến thì nhu cầu về 3G

cũng như phát triển nó lên 4G đang càng trở nên cấp thiết Để phục vụ

nhu cầu học tập của sinh viên, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông phối hợp với Nhà xuất bản Thông tin và Truyền thông xuất bản

“Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G” do

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng biên soạn

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ 3 (Third Generation) Mạng 3G (Third-generation technology) là thế

hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ

liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh,

hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển

mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn

khác so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với

công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh,

hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di

chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có

thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc

chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ

định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; High-ends games;

Do khuôn khổ có hạn, giáo trình sẽ chỉ tập trung trình bày hai công

nghệ: đó là HSPA (sự phát triển tăng cường của WCDMA) và 3GPP

LTE Có thể coi công nghệ HSPA và sự phát triển tiếp theo của nó là hậu

3G còn công nghệ LTE là tiền 4G Đây là các công nghệ dự kiến sẽ rất

phát triển trong những thập niên tới Giáo trình được xây dựng trên cơ sở

sinh viên đã học môn "Đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải phổ"

Vì đây là giáo trình cho môn chuyên đề đòi hỏi sinh viên phải tự đọc nên giáo trình được biên soạn chi tiết với kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, có phần tổng kết

và các câu hỏi

Giáo trình bao gồm 16 chương Chương đầu giới thiệu tổng quan về các hệ thống phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G Chương 2 đề cập đến các vấn đề liên quan đến truyền dẫn vô tuyến băng rộng Chương

3 nghiên cứu các công nghệ đa truy nhập OFDMA và SC-FDMA ứng dụng cho LTE Chương 4 trình bày một trong các kỹ thuật quan trọng của 3G phát triển và 4G là đa anten Chương 5 trình bày một số kỹ thuật then chốt của 3G phát triển và 4G là: thích ứng đường truyền, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ (phát lại lai ghép) Chương 6 và chương 7 trình bày nguyên lý của HSDPA và HSUPA Chương 8 đề cập đến các vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của HSPA Chương 9 trình bày dịch

vụ VoIP trong HSPA Chương 10 trình bày một số dịch vụ tiên tiến của HSPA là MBMS - dịch vụ quảng bá, đa phương đa phương tiện và CPC - kết nối gói liên tục Chương 11 trình bày các mục tiêu LTE Chương 12 trình bày các vấn đề chung của truy nhập vô tuyến LTE và kiến trúc giao diện vô tuyến LTE Chương 13 và 14 trình bày lớp vật lý

và các thủ tục truy nhập LTE Chương 15 trình bày phát triển kiến trúc hệ thống LTE/SAE Chương 16, trình bày mô phỏng đánh giá hiệu năng HSPA, LTE và tính toán quỹ đường truyền

Ngoài ra phần Phụ lục của giáo trình, trình bày các yêu cầu đối với phần vô tuyến của máy đầu cuối HSPA và có thêm phần Thuật ngữ viết tắt, Tài liệu tham khảo để bạn đọc tiện tra cứu

Giáo trình có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học, các chuyên gia, các cán bộ quản lý và kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song quá trình biên soạn sẽ khó tránh khỏi thiếu sót, Học viện rất mong nhận được ý kiến góp ý của các bạn đồng nghiệp và bạn đọc gần xa

Xin trân trọng cảm ơn!

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Lời nói đầu 5

Chương 6 HSDPA 185

6.1 Tổng quan 186

6.2 HS-DSCH 191

6.3 MAC-hs và xử lý lớp vật lý 200

6.4 Luồng số liệu 204

6.5 Điều chế bậc cao 206

6.6 Lập biểu và thích ứng đường truyền 208

6.7 HARQ với kết hợp mềm 215

6.8 CQI và các phương tiện đánh giá chất lượng khung khác 230

6.9 Cấu trúc các kênh báo hiệu của HSDPA 235

6.10 HSDPA MIMO 248

6.11 Các thủ tục lớp vật lý của HSDPA 254

6.12 Di động 257

6.13 Các thể loại UE 259

6.14 Tổng kết 261

6.15 Câu hỏi 263

Chương 7 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA 265

7.1 Tổng quan 266

7.2 E-DCH 272

7.3 MAC-e và xử lý lớp vật lý 281

7.6 HARQ với kết hợp mềm 298

7.7 Báo hiệu điều khiển 314

7.8 Thủ tục lớp vật lý 327

7.9 Di động 329

7.10 Các thể loại UE 331

7.11 Tổng kết 331

7.12 Câu hỏi 333

Chương 8 Quản lý tài nguyên vô tuyến 335

8.1 Tổng quản quản lý tài nguyên vô tuyến của HSDPA 336

8.2 Các giải thuật RNC cho HSDPA 337

8.3 Các giải thuật nút B cho HSDPA 352

8.4 Tổng quan quản lý tài nguyên vô tuyến HSUPA 365

8.5 Các giải thuật RNC cho HSUPA 366

8.6 Các giải thuật nút B cho HSUPA 370

8.7 Tổng kết 372

8.8 Câu hỏi 372

Chương 9 VoIP trong HSPA 375

9.1 Động lực VoIP 376

9.2 Nén tiêu đề 378

9.3 VoIP trong HSPA 379

9.4 Tổng kết 388

9.5 Câu hỏi 389

10.1 Tổng quan MBMS 392

10.2 Các kênh cho MBMS 402

10.3 Kết nối gói liên tục 406

10.4 Tổng kết 417

10.5 Câu hỏi 418

Phụ lục

Thuật ngữ viết tắt

Tài liệu tham khảo

2G Second Generation Thế hệ thứ hai

phương

CAZAC Constant Amplitude Zero

Auto-Correlation

Tự tương quan bằng không biên

độ không đổi

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối

tăng cường

EDGE

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

tốc độ cao HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao

HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

HS-PDSCH High-Speed Physical Dedicated Shared

Channel

Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ cao

tốc độ cao

tốc độ cao

IP Internet Protocol Giao thức Internet

Union- Radio Sector

Liên minh Viễn thông quốc tế bộ phận vô tuyến

tin giữa RNC và mạng lõi

tin giữa nút B và RNC

tin giữa các RNC

phương tiện

Network

Mạng đa phương quảng bá đơn tần số

MC-CDMA Multi Carrier- Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

đa sóng mang MC-WCDMA Multi Carrier- Wide band Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng đa sóng mang

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

cực tiểu

vụ di động

suất trung bình

như PAPR)

PDU Packet Data Unit Khối số liệu gói

công cộng

tuyến

rtPS Real Time Polling Service Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang

không gian

tạp âm

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TD-CDMA Time Division -Code Division Multiple

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian

truyền tải

thời gian

sang đường xuống

hình RLC)

USIM UMTS Subcriber Identity Module Môđun nhận dạng thuê bao

UMTS

HSDPA

Mục tiêu của HSDPA 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 được mục tiêu này, HSDPA sử dụng một

số kỹ thuật như: điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợp mềm

Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:

- CQI và các phương tiện đánh giá chất lượng khung khác

- Cấu trúc các kênh báo hiệu của HSDPA

- Các thủ tục lớp vật lý của HSDPA

- Di động

- Các thể loại UE

Mục đích chương nhằm cung cấp cho bạn đọc các kiến thức khá

đầy đủ về công nghệ đa truy nhập HSDPA được sử dụng trong 3G+

6.1.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ

Đặc điểm chủ yếu của 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) được coi là tài nguyên chung được chia sẻ động theo thời gian giữa những 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 được truyền theo dạng cụm và vì thế 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 6.1 Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có

hệ số trải phổ 16 (xem phần trên của hình 6.1), trong đó số mã có thể

sử dụng để lập cấu hình cho HS-DSCH nằm trong khoảng từ 1 đến 15 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

Phần dưới của hình 6.1 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)

Hình 6.1 Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH

Ngoài việc được ấn định một bộ phận của tổng tài nguyên mã khả dụng, một phần tổng công suất khả dụng của ô phải được ấn định cho truyền dẫn HS-DSCH Lưu ý rằng HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển tốc độ Sau khi phục vụ các kênh khác, phần công suất còn lại có thể được sử dụng cho HS-DSCH, điều này cho phép khai thác hiệu quả tổng tài nguyên công suất khả dụng

6.1.2 Lập biểu phụ thuộc kênh

Lập biểu 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 những người) sử dụng nào kết hợp chặt chẽ với cơ chế điều khiển tốc độ (tại tốc độ số liệu nào) Như đã xét trong chương trước, 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 6.2) 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 những người sử dụng có các điều kiện đường truyền vô tuyến thuận lợi thường được 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 Một số chiến lược lập biểu khác nhau đã được xét trong chương trước Chiến lược của 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 những 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

Hình 6.2 Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA

Ngoài các điều kiện kênh, bộ lập biểu cũng cần xét đến các điều kiện lưu lượng Chẳng hạn, sẽ vô nghĩa nếu lập biểu cho một người sử dụng không có số liệu đợi truyền dẫn cho dù điều kiện kênh của 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 được 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 cao về tốc độ số liệu không đổi dài hạn

6.1.3 Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao

Trong chương trước, 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 được 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

và 16QAM Điều chế bậc cao như 16QAM cho phép đạt được mức độ

sử dụng băng thông cao hơn QPSK nhưng đòi hỏi Eb/N0 cao hơn Vì thế 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lợi Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh

6.1.4 HARQ với kết hợp mềm

HARQ với kết hợp mềm 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 được 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 để phát lại so với phát hành R3

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 được 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, nghĩa là các lần phát lại có thể chứa các bit chẵn lẻ không có trong các lần phát trước Từ chương 5 ta đã biết rằng 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 được mã hóa sẽ sử dụng để phát lại

có xét đến dung lượng nhớ khả dụng của UE

6.1.5 Kiến trúc

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 được 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 Vì thế HSDPA đưa vào nút B một lớp con MAC mới, MAC-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 những người sử dụng, HSDPA chủ yếu tác động lên nút B (hình 6.3)

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 dàng 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

Hình 6.3 Kiến trúc HSDPA

6.2 HS-DSCH

6.2.1 HS-DSCH và các kênh báo hiệu

Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH: High-speed Downlink Shared Channel) là kênh truyền tải được sử dụng để hỗ trợ truyền dẫn kênh chia sẻ và các công nghệ khác trong HSDPA như lập biểu phụ thuộc kênh, điều khiển tốc độ (gồm cả điều chế tốc độ cao)

và HARQ với kết hợp mềm Như đã xét trong phần tổng quan và hình 6.1, HS-DSCH tương ứng với một tập mã định kênh có hệ số trải phổ

16 Mỗi mã định kênh này còn được gọi là HS-PDSCH (High Speed

Physical Downlink Shared Channel: kênh chia sẻ vật lý đường xuống tốc độ cao)

Để hiểu rõ được kênh HS-DSCH ta so sánh tính năng kênh DCH

và HS DSCH Trước hết ta cần lưu ý một số điểm khác nhau giữa WCDMA và HSDPA WCDMA sử dụng các kênh FACH, DCH và DSCH để truyền số liệu gói, trong đó FACH để truyền các gói nhỏ, DCH là kênh chính còn DSCH để truyền các gói có tốc độ cao hơn HSPA thực chất thay thế kênh WCDMA DSCH bằng kênh HSDPA DSCH (trong R5 vẫn còn sử dụng WCDMA DSCH nhưng trong R6 kênh này không còn được sử dụng nữa) Trong R5, kênh DCH luôn đi cùng với kênh HSDPA DSCH (hình 6.4) Nếu số liệu không được truyền thì DCH là kênh mang vô tuyến báo hiệu (SRB: Signalling Radio Bearer) Trong trường hợp dịch vụ chuyển mạch kênh (AMR hoặc video) được truyền song song với số liệu PS, thì các dịch vụ CS được mang trên kênh này Trong R6 báo hiệu có thể được truyền trên kênh F-DCH (Fractional DCH: DCH một phần) Trong R5, số liệu người sử dụng đường lên luôn được truyền trên DCH (khi HSDPA tích cực), trong khi đó R6 sử dụng E-DCH (Enhanced DCH: DCH tăng cường) cho HSUPA Bảng 6.1 so sánh các tính năng kênh DCH

và HS-DSCH

Hình 6.4 Các kênh cần cho hoạt động HSDPA trong R5

Bảng 6.1 So sánh các tính năng kênh DCH và HS-DSCH

Thích ứng đường truyền và

lập biểu theo BTS

không có

Ngoài HS-DSCH còn cần có các kênh khác như các kênh cho các

dịch vụ chuyển mạch kênh và cho báo hiệu điều khiển Để có thể cân

đối giữa khối lượng tài nguyên mã dành cho HS-DSCH và khối lượng

tài nguyên mã dành cho các mục đích khác, có thể lập cấu hình cho số

mã định kênh khả dụng cho HS-DSCH trong dải từ 1 đến 15 Các mã

không dành cho HS-DSCH được sử dụng cho các mục đích khác như

cho báo hiệu điều khiển và các dịch vụ chuyển mạch kênh Nút mã

đầu tiên trong cây mã không bao giờ được sử dụng cho truyền dẫn

HS-DSCH bởi vì nút này chứa các kênh vật lý bắt buộc như kênh hoa

tiêu chẳng hạn

Có thể tổng kết các khác biệt quan trọng giữa khai thác số liệu gói

dựa HSDPA so với trên R3 DCH như sau:

- Không có điều khiển công suất nhanh, thay vào đó là thích ứng

đường truyền bằng cách chọn tổ hợp các mã định kênh, tỷ lệ mã

hóa kênh và điều chế thích hợp

- Hỗ trợ điều chế bậc cao hơn DCH Với sử dụng điều chế biên độ

16QAM, số bit mang trên một ký hiệu tăng gấp đôi so với điều

chế QPSK của R3

- Nút B lập biểu cho người sử dụng (ấn định tài nguyên vô tuyến) trong từng TTI = 2ms và thông báo kết quả lập biểu bằng báo hiệu nhanh lớp vật lý Với DCH báo hiệu lớp cao hơn từ RNC

ấn định mã bán cố định (SF tương ứng) TTI của DCH cũng lâu hơn (10, 20, 40 hoặc 80ms)

- Sử dụng phát lại lớp vật lý và kết hợp mềm phát lại, trong khi với DCH nếu có sử dụng phát lại thì sử dụng phát lại mức RLC

- Không có chuyển giao mềm Số liệu chỉ được phát từ ô phục vụ

- Hoạt động đa mã với một SF cố định Chỉ SF = 16 là được sử dụng, trong khi với DCH, hệ số trải phổ có thể là từ 4 đến 512 Với HSDPA chỉ có mã Turbo được sử dụng, trong khi với DCH

cả mã xoắn cũng có thể được sử dụng

- Không có phát không liên tục (DTX) tại mức khe HS-PDSCH hoặc được phát toàn bộ hoặc hoàn toàn không được phát trong 2ms TTI

Chia sẻ tài nguyên mã HS-DSCH trước hết cần thực hiện trong miền thời gian Lý do là để khai thác tối đa các ưu điểm của lập biểu phụ thuộc kênh và điều khiển tốc độ, vì chất lượng tại đầu cuối thay đổi trong miền thời gian nhưng (hầu như) độc lập với tập mã (các kênh vật lý) được sử dụng để truyền dẫn Tuy nhiên chia sẻ tài nguyên

mã HS-DSCH trong miền mã cũng được hỗ trợ như trên hình 6.1 Với chia sẻ mã-thời gian, hai hay nhiều UE có thể được lập biểu đồng thời bằng cách sử dụng các phần khác nhau của tài nguyên mã chung (các tập khác nhau của các kênh vật lý) Có hai lý do cho chia sẻ trong miền mã: (1) hỗ trợ các đầu cuối không thể trải phổ tập mã đầy đủ (vì phức tạp) và (2) hỗ trợ các tải nhỏ khi số liệu được phát không yêu cầu tập đầy đủ các mã HS-DSCH được cấp phát Trong cả hai trường hợp nói trên, sẽ lãng phí tài nguyên khi ấn định toàn bộ tài nguyên mã cho một đầu cuối

Ngoài việc được cấp phát một phần trong số tổng tài nguyên mã, một phần trong số tổng công suất ô khả dụng cũng được sử dụng cho truyền dẫn HS-DSCH

Để đạt được mức độ sử dụng tài nguyên công suất cực đại trong trạm gốc, phần công suất còn lại sau khi đã phục vụ các kênh khác (các kênh được điều khiển công suất) phải được ưu tiên dành cho HS-DSCH như mô tả trên hình 6.5 Về nguyên tắc, điều này dẫn đến công suất phát không đổi (hay ở mức độ nhất định không đổi) trong một ô Vì HS-DSCH được điều khiển tốc độ, nên tốc độ số liệu của HS-DSCH có thể được lựa chọn để phù hợp với các điều kiện kênh vô tuyến và lượng công suất tức thời khả dụng cho truyền dẫn HS-DSCH

Hình 6.5 Sử dụng công suất động với HS-DSCH

Để đạt được ấn định các tài nguyên chia sẻ nhanh và đạt được trễ người sử dụng đầu cuối thấp, TTI phải được lựa chọn nhỏ nhất Tuy nhiên nếu TTI quá nhỏ sẽ dẫn đến chi phí bổ sung cho báo hiệu đối với từng cuộc truyền dẫn quá lớn Để cân đối giữa hai tiêu chí đối lập nhau nói trên TTI được chọn bằng 2ms cho HSDPA

Cần phải có báo hiệu điều khiển đường xuống cho hoạt động của HS-DSCH trong từng TTI Số nhận dạng của UE (hoặc các UE) hiện thời đang được lập biểu phải được thông báo cùng với tài nguyên vật

lý (các mã định kênh) được sử dụng để phát đến UE này UE cũng cần

được thông báo về khuôn dạng truyền tải được sử dụng cho truyền dẫn cùng với thông tin liên quan đến HARQ Tài nguyên và thông tin về khuôn dạng truyền tải bao gồm bộ phận cây mã được sử dụng cho truyền dẫn, sơ đồ điều chế được sử dụng và kích thước khối truyền tải Báo hiệu điều khiển đường xuống được mang trên kênh HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel: kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao); kênh này được phát đồng thời với HS-DSCH bằng cách sử dụng một mã định kênh riêng HS-SCCH là kênh chia sẻ để thông báo về việc HS-DSCH được lập cấu hình cho UE nào Tất cả các UE đều thu kênh này để tìm xem nó có được lập biểu hay không

Trong một ô có thể nhiều kênh HS-SCCH được lập cấu hình, nhưng vì HS-DSCH chủ yếu được chia sẻ theo thời gian và chỉ có đầu cuối hiện đang được lập biểu là cần thu kênh HS-SCCH, vì thế thông thường chỉ có một, hay nếu chia sẻ trong miền mã được hỗ trợ trong ô, thì có thể có một số HS-SCCH là được lập cấu hình trong ô Tuy nhiên mỗi đầu cuối có khả năng HS-DSCH phải có khả năng giám sát tới 4 HS-SCCH Bốn HS-SCCH được chọn đển có thể đảm bảo đủ tính linh hoạt trong quá trình lập biểu cho nhiều UE; nếu con số này nhỏ hơn thì bộ lập biểu sẽ chỉ hạn chế đến các UE cần lập biểu đồng thời trong trường hợp chia sẻ miền mã

Truyền dẫn HSDPA cũng đòi hỏi báo hiệu điều khiển đường lên cho HARQ để thông báo cho nút B về việc thu truyền dẫn đường xuống có thành công hay không Trong mỗi TTI mà UE được lập biểu, các báo hiệu ACK và NAK được gửi trên đường lên để thông báo kết quả của giải mã HS-DSCH Thông tin này được mang trên kênh HS-DPCCH: High Speed Dedicated Physical Control Channel: kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao) Mỗi UE được thiết lập một kênh HS-DPCCH cùng với cấu hình HS-DSCH Ngoài ra nút B cũng cần biết thông tin về các điều kiện kênh đường lên tức thời tại UE để thực hiện lập biểu phụ thuộc kênh và điều khiển tốc độ Vì thế mỗi UE phải đo

các điều kiện tức thời đường xuống và phát chỉ thị chất lượng kênh (CQI: Channel Quality Indicator) trên kênh HS-DPCCH

Ngoài các kênh HS-DSCH và HS-SCCH, đầu cuối HSDPA cần nhận được các lệnh điều khiển công suất để hỗ trợ điều khiển công suất vòng kín đường lên giống như đối với đầu cuối WCDMA Điều này đạt được thông qua kênh DPCH (Downlink Dedicated Physical Channel: kênh vật lý riêng đường xuống) đối với từng UE Ngoài lệnh điều khiển công suất, kênh này còn được sử dụng cho số liệu của người sử dụng không được truyền trên kênh HS-DSCH, chẳng hạn cho các dịch vụ chuyển mạch kênh

Hình 6.6 Cấu trúc kênh có HSDPA

Phát hành R6 hỗ trợ kênh DPCH phân đoạn, F-DPCH (Fractional DPCH) để giảm việc sử dụng các mã định kênh đường xuống Về nguyên lý, kênh dành riêng đường xuống chỉ được sử dụng để mang các lệnh điều khiển công suất cho UE để điều khiển công suất đường lên Nếu tất cả các cuộc truyền dẫn số liệu bao gồm cả các kênh mang

vô tuyến báo hiệu lớp cao đều được sắp xếp lên HS-DSCH, thì sẽ lãng phí các tài nguyên mã quý hiếm nếu sử dụng một kênh riêng với hệ số trải phổ 256 cho một UE để chỉ điều khiển công suất F-DCH giải quyết điều này bằng cách cho phép nhiều UE chia sẻ một mã định kênh đường xuống duy nhất

Để tổng kết, ta xét cấu trúc kênh tổng thể có HSDPA trên hình 6.6

Từ hình 6.6, ta thấy các kênh cần thiết cho hoạt động HSDPA bao gồm:

1 Đối với R5

− HS-DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang số

liệu gói tốc độ cao

− HS-SCCH (Kênh điều khiển chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang thông tin về số mã trải phổ và phương pháp

điều chế được sử dụng cho đầu cuối để đầu cuối có thể giải trải phổ và giải điều chế đúng

− HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý dành riêng đường lên tốc độ cao): Mang thông tin hồi tiếp để BTS có thể thích ứng đường truyền và phát lại

− Kênh DCH (DPDCH/DPCCH) đường lên: Giống như

WCDMA

2 Đối với R6

− Bổ sung thêm kênh đường lên F-DCH (kênh DCH một đoạn): Chỉ mang thông tin về điều khiển công suất cho

đường lên cho trường hợp chỉ truyền số liệu gói

Cả kênh HS-PDSCH và HS-SCCH đều không có phân tập vĩ mô đường xuống hay chuyển mạch mềm Lý do vì việc đặt lập biểu HS-DSCH trong nút B Vì thế không thể đồng thời phát HS-DSCH đến một UE từ nhiều nút B và điều này dẫn đến không thể sử dụng chuyển giao mềm giữa các nút B Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng trong mỗi ô, phân tập đa người sử dụng được thực hiện bởi bộ lập biểu phụ thuộc kênh Bộ lập biểu chỉ cho phép phát đến một người sử dụng khi người này có các điều kiện kênh vô tuyến tức thời thuận lợi và vì thế

độ lợi nhận được từ phân tập vĩ mô sẽ giảm

6.2.2 Điều khiển tài nguyên cho HS-DSCH

Khi đưa vào HSDPA, một số phần quản lý tài nguyên vô tuyến được xử lý tại nút B thay vì tại RNC Lý do vì áp dụng lập biểu phụ thuộc kênh và điều khiển tốc độ được đặt trong nút B để khai thác các thay đổi nhanh của kênh Tuy nhiên RNC vẫn chịu trách nhiệm tổng thể cho quản lý tài nguyên bao gồm cả điều khiển cho phép và xử lý nhiễu giữa các ô Vì thế các báo cáo về kết quả đo lường mới từ nút B đến RNC được đưa vào hệ thống cùng với các cơ chế cho RNC để thiết lập các giới hạn mà nút B được phép xử lý các tài nguyên HSDPA trong ô

Để giới hạn công suất sử dụng cho HSDPA, RNC có thể thiết lập đại lượng công suất cực đại mà nút B được phép sử dụng để phát đường xuống cho HSDPA Điều này cho phép RNC điều khiển đại lượng nhiễu cực đại mà một ô có thể gây ra đối với các ô lân cận Trong giới hạn mà RNC thiết lập, nút B có thể tự do quản lý công suất chi phí cho HSDPA trên đường xuống Nếu đại lượng này không có (hay lớn hơn tổng công suất của nút B), nút B có thể sử dụng toàn bộ công suất khả dụng cho truyền dẫn đường xuống trên HS-DSCH và HS-SCCH

Điều khiển cho phép trong RNC cần xét đến đại lượng công suất khả dụng trong nút B Chỉ khi có đủ khối lượng công suất khả dụng trong nút B, một người sử dụng mới mới được phép vào ô Vì thế cần

đo công suất sóng mang đang phát Tuy nhiên, cùng với việc đưa vào HSDPA, nút B có thể phát toàn bộ công suất thậm chí khi chỉ có một người trong ô để đạt được tốc độ số liệu cực đại Đối với điều khiển cho phép trong RNC, điều này thể hiện như là ô đầy tải và không thể cho phép thêm người sử dụng nữa Vì thế cần đưa vào việc báo cáo kết quả đo mới về công suất sóng mang đang phát của tất cả các mã không được sử dụng cho HS-PDSCH hay HS-SCCH Điều khiển cho

phép sẽ sử dụng thông tin này để quyết định có cho phép những người

sử dụng mới vào ô hay không (hình 6.7)

Hình 6.7 Đo đạc và giới hạn tài nguyên đối với HSDPA

Ngoài báo hiệu liên quan đến công suất như đã xét ở trên, cũng cần có báo hiệu cho các dịch vụ luồng Để hỗ trợ hiệu quả dịch vụ luồng, cần đảm bảo một tốc độ trung bình tối thiểu Để vậy RNC có thể thông báo tốc độ bit cần đảm bảo Bộ lập biểu có thể sử dụng thông tin này để đảm bảo cung cấp tốc độ số liệu đủ cao trung bình trong thời gian dài hơn cho một hàng đợi ưu tiên nào đó của MAC-d

Để giám sát sự thực hiện này và để có thể quan trắc tải trong ô do các quy định này, nút B có thể báo cáo công suất cần thiết cho từng loại

ưu tiên do RNC lập cấu hình để nhận dạng các UE đòi hỏi chi phí cao (đòi hỏi nhiều công suất) Nút B cũng có thể báo cáo tốc độ số liệu lấy trung bình trên 100ms mà thực tế nó cung cấp cho từng loại ưu tiên

6.3 MAC-hs VÀ XỬ LÝ LỚP VẬT LÝ

6.3.1 Cấu trúc MAC-hs và lớp vật lý

Như đã xét trong phần tổng quan, MAC-hs là một lớp con mới được đặt trong nút B chịu trách nhiệm để lập biểu DS-DSCH, điều khiển tốc độ và hoạt động của giao thức HARQ Để hỗ trợ các tính năng này, lớp vật lý cũng đã được tăng cường bằng các tính năng

tương ứng chẳng hạn hỗ trợ kết hợp mềm trong HARQ Hình 6.8 mô

tả MAC-hs và quá trình xử lý lớp vật lý

Hình 6.8 MAC-hs và quá trình xử lý lớp vật lý

MAC-hs bao gồm lập biểu, xử lý ưu tiên, chọn khuôn dạng truyền tải (điều khiển tốc độ) và các bộ phận của HARQ Số liệu có dạng một khối truyền tải với kích thước động được đưa từ MAC-hs thông qua kênh truyền tải HS-DSCH đến xử lý lớp vật lý HS-DSCH

Quá trình xử lý lớp vật lý HS-DSCH như sau 24bit CRC được gắn vào từng khối truyền tải CRC được UE sử dụng để phát hiện lỗi trong khối truyền tải thu Để giải điều chế 16QAM (một kiểu sơ đồ điều chế được hỗ trợ bởi HS-DSCH), máy thu cần biết được biên độ

để tạo ra giá trị mềm chính xác trước khi giải mã Turbo Điều này khác với QPSK, trong đó không cần biết biên độ vì tất cả thông tin được chứa trong pha của tín hiệu thu Để dễ dàng đánh giá tham chuẩn biên độ, sau khi gắn CRC các bit được ngẫu nhiên hóa Kết quả là chuỗi ra của bộ mã hóa Turbo được ngẫu nhiên trước khi đưa lên điều chế 16QAM và điều này hỗ trợ cho UE để ước tính chuẩn biên độ Lưu ý rằng ngẫu nhiên hóa được thực hiện cho tất cả các sơ đồ điều chế, mặc dù nói một cách chặt chẽ nó chỉ cần thiết cho 16QAM

Sơ đồ mã hóa căn bản trong HSDPA là mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3

Để đạt được tỷ lệ mã hóa do quá trình điều khiển tốc độ lựa chọn, đục

lỗ và lặp được sử dụng để phối hợp số bit được mã hóa với số bit khả dụng của kênh vật lý Cơ chế phối hợp tốc độ cũng là một bộ phận của HARQ lớp vật lý và nó được sử dụng để tạo ra các phiên bản dư khác nhau cho sơ đồ dư tăng Điều này được thực hiện thông qua các mẫu đục lỗ (chích bỏ) khác nhau; các bit khác nhau được đục lỗ cho lần phát đầu và các lần phát lại

Phân đoạn kênh vật lý thực hiện phân bố các bit đến các mã định kênh khác nhau được sử dụng cho truyền dẫn, sau đó là đan xen Sắp xếp chùm tín hiệu chỉ được sử dụng cho 16QAM Nếu kết hợp săn bắt được sử dụng cùng với 16QAM, thì có thể tăng được hiệu năng nếu chùm tín hiệu thay đổi giữa các lần phát lại Chi tiết về điều này sẽ được xét dưới đây

6.3.2 Tiêu đề MAC-hs

Để hỗ trợ việc sắp đặt lại thứ tự và phân chia các MAC-d PDU trong UE như đã trình bày ở trên, cần có báo hiệu thông tin cần thiết

cho UE Vì thông tin này chỉ cần thiết sau khi đã giải mã thành công một khối truyền tải, nên có thể sử dụng báo hiệu trong băng ở dạng tiêu đề MAC-hs

Tiêu đề MAC chứa:

- Nhận dạng hàng đợi sắp đặt lại thứ tự

- Số trình tự phát (TSN)

- Số lượng và kích thước MAC-d PDU

Cấu trúc tiêu đề MAC-hs được cho trên hình 6.9 Cờ phiên bản (VF) bằng 0 và được dự trữ cho các mở rộng tương lai của tiêu đề MAC-hs Nhận dạng hàng đợi (Queue ID) 3 bit nhận dạng hàng đợi sắp đặt lại thứ tự cần được sử dụng trong máy thu Tất cả các MAC-d PDU trong một MAC-hs PDU trực thuộc cùng một hàng đợi sắp đặt lại thứ tự Trường TSN 6 bit nhận dạng số trình tự phát của khối số liệu MAC-hs TSN là số duy nhất trong một bộ đệm sắp xếp lại nhưng không duy nhất giữa các bộ đệm sắp xếp lại khác nhau Cùng với Queue ID, TSN đảm bảo hỗ trợ chuyển theo thứ tự như đã xét trong phần trước

Các MAC PDU có kích thước N SID

Khối truyền tải (MAC-hs PDU)

Các MAC PDU có kích thước N SID

Hình 6.9 Cấu trúc tiêu đề MAC-hs

Tải tin MAC-hs bao gồm một hay nhiều MAC-d PDU SID 3 bit, nhận dạng chỉ số kích thước cung cấp kích thước MAC-d PDU và trường N 7 bit xác định số lượng MAC-d PDU Cờ F được sử dụng để

chỉ thị kết thúc tiêu đề MAC-hs Tập SID, N và F được sử dụng cho từng tập các MAC-PDU liền kề và nhiều kích thước khác nhau của MAC-d PDU được hỗ trợ bằng cách tạo ra các nhóm MAC-PDU có kích thước giống nhau Lưu ý rằng tất cả các MAC-d PDU của một khối số liệu phải được đặt theo thứ tự liên tục vì đánh số số trình tự được thực hiện theo từng khối Vì thế nếu chuỗi các MAC-d PDU với kích thước được xác định bởi SID1, SID2, SID1 được phát, thì ba nhóm phải được tạo ra mặc dù chỉ có hai kích thước MAC-d PDU Cuối cùng, MAC-hs PDU được đệm thêm (nếu cần) sao cho kích thước của MAC-hs PDU bằng một kích thước khối phù hợp Cần lưu

ý rằng trong hầu hết các trường hợp, chỉ có một kích thước MAC-d PDU, vì thế chỉ có một tập SID, N và F

6.4 LUỒNG SỐ LIỆU

Để mô tả luồng số liệu của người sử dụng qua các lớp khác nhau

ta xét cấu hình giao diện vô tuyến trên hình 6.10 làm ví dụ Trong ví

dụ này ta giả thiết UE sử dụng dịch vụ dựa trên IP trong đó số liệu của người sử dụng được sắp xếp lên kênh HS-DSCH

RRC

PDCP RLC

HS-DPSCH: Kênh vật lý chia sẻ riêng L1: Lớp 1

Hình 6.10 Cấu hình giao thức khi HS-DSCH được ấn định

Để truyền báo hiệu trong mạng vô tuyến, một số kênh mang vô

tuyến được lập cấu hình trong mặt phẳng điều khiển Trong R5, không

thể sắp xếp các kênh mang báo hiệu vô tuyến lên HS-DSCH vì thế

phải sử dụng các kênh truyền tải riêng, nhưng trong R6 hạn chế này

được loại bỏ để HSDPA có thể hoạt động hoàn toàn không cần các

kênh truyền tải dành riêng trên đường xuống

TFCI: Transport Format Combination Indicator:

chỉ thị tổ hợp khuôn dạng truyền tải

Hình 6.11 Luồng số liệu tại UTRAN

Hình 6.11 mô tả luồng số liệu tại các điểm tham khảo được cho

trên hình 6.10 Trong ví dụ này giả sử dịch vụ IP được cung cấp cho

UE PDCP thực hiện (tùy chọn) nén tiêu đề IP Đầu ra của PDCP được

đưa đến thực thể giao thức RLC Sau khi thực hiện móc nối (nếu có),

các RLC SDU được phân đoạn vào các khối nhỏ hơn thường là 40byte

Một RLC-PDU gồm một đoạn số liệu và tiêu đề RLC Nếu ghép kênh logic được thực hiện trong MAC-d, thì một tiêu đề 4 bit được bổ sung

để tạo nên một MAC-d PDU Trong MAC-hs, một số MAC-d PDU (các PDU này có thể có kích thước thay đổi) được lắp ráp lại và một tiêu đề MAC-hs được gắn thêm để tạo thành một khối truyền tải, sau

đó khối này được mã hóa và được lớp vật lý phát đi

6.5 ĐIỀU CHẾ BẬC CAO

6.5.1 Điều chế bậc cao

Việc đưa ra MIMO như đã xét trong chương trước cho phép tăng đáng kể tốc độ số liệu đỉnh Sự tăng này đạt được nhờ khai thác các điều kiện truyền sóng trong kênh vô tuyến thông qua truyền dẫn nhiều luồng Tuy nhiên, trong một số tình trạng, UE có thể nhận được tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao nhưng không hỗ trợ truyền dẫn nhiều luồng, chẳng hạn trong trường hợp truyền sóng trực xạ Như đã xét trong chương 5, điều chế bậc cao sẽ hữu dụng trong các trường hợp này Điều chế bậc cao cũng sẽ hữu ích vì nó đảm bảo tốc độ số liệu cao khi

UE hay nút B không được trang bị nhiều anten Vì thế R7 tăng bậc điều chế đến 64QAM trên đường xuống và 16QAM trên đường lên Các tốc độ đỉnh khi sử dụng điều chế bậc cao được cho trong bảng 6.2

Hỗ trợ 64QAM trên đường xuống và 16QAM trên đường lên cũng dựa trên cùng một nguyên lý như đã đặc tả trong R6 Tuy nhiên

để thực hiện các yêu cầu phần vô tuyến của máy phát, cần đặt một khoảng lùi lớn hơn tại bộ khuếch đại công suất cho các sơ đồ điều chế này

Bảng 6.2 Tốc độ số liệu đỉnh trên đường lên và đường xuống

khi sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao

Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống