1 G: First Generation
3.3 Nguyên lý hoạt động của HSDPA
Hình 3.3 - Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA HSDPA gồm các giải pháp:
- Thực hiện đan xen thời gian truyền dẫn ngắn TTI=2ms
- Mã hoá và điều chế thích ứng AMC
- Truyền dẫn đa mã, lớp vật lý tốc độ cao L1
- Yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ.
Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến. Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một chỉ thị chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời. Đồng thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu. Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE trong một cell, Thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng .
Vấn đề chúng ta cần quan tâm là chất lượng kênh đường truyền của mỗi người sử dụng độc lập và cách xác định nó. Ví dụ như: tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp nhiếu ( tỷ số Es/No), chất lượng bộ tách UE. Nút B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát theo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao ( HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận / không chấp nhận (Ask / Nask) ở dạng gói
dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết. Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau.
Lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC – Medium Access Control) được đặt tại nút B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn. So sánh với kỹ thuật DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hoá Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS- DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kbps tới hơn 10Mbps. Quá trình điều chế và mã hoá thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và được mở rộng hơn nữa số đa mã khả dụng.
Bảng 3.1: Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp
Tốc độ dữ liệu (1 mã ) Tốc độ dữ liệu (5 mã) Tốc độ dữ liệu (15 mã) QPSK, tỷ lệ mã hoá 1/2 120 kpbs 600 kbps 1.8 Mbps QPSK, tỷ lệ mã hoá 3/4 240 kpbs 1.2 Mbps 3.6 Mbps 16 QAM, tỷ lệ mã hoá 1/2 360 kpbs 1.8 Mbps 5.3 Mbps QAM, tỷ lệ mã hoá 1/2 480 kpbs 2.4 Mbps 7.2 Mbps QPSK, tỷ lệ mã hoá 3/4 720 kpbs 3.6 Mbps 10.7 Mbps 3.4 Cấu trúc HSDPA 3.4.1 Cấu trúc kênh
Tài nguyên chung của người sử dụng trong ô tế bào bao gồm các bộ mã kênh và công suất phát. Khái niệm HSDPA được giới thiệu bao gồm một số kênh vật lý thêm vào:
- Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel)
- Kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH (HS-Physical Control Channel).
3.4.1.1 Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao: HS-PDSCH
Trong kênh này thời gian và mã hoá được chia sẽ giữa những người sử dụng gắn liền với Node-B. Đây là cơ cấu truyền tải cho các kênh logic được thêm vào: + Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH (HS-Downlink Shared Channel) + Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (HS-Shared Control Channel).
Những tài nguyên mã hoá HS-DSCH gồm có một hoặc nhiều bộ mã định hướng với hệ số phân bố cố định SF 16. Phần lớn 15 bộ mã này có thể phân bổ cho những yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu và điều khiển. Các tài nguyên mã hoá sẵn sàng được chia sẻ chủ yếu trong miền thời gian nhưng nó có thể chia sẻ tài nguyên mã hoá bằng cách dùng mã hoá đa thành phần. Khi cả thời gian và bộ mã được chia sẽ, từ hai đến bốn người sử dụng có thể chia sẽ tài nguyên mã hoá trong cùng một TTI.
Đặc tính quan trọng của kênh HS-DSCH là tính linh động của nguồn được chia sẻ trong khoảng thời gian rất ngắn 2ms.Khi đó dữ liệu người dùng được đặt trên kênh HS-DSCH, chúng liên tục được gửi đi trong khe thời gian 2ms đó.
Ngược lại, với phiên bản R99 của WCDMA còn có thêm khoảng DTX - khoảng truyền gián đoạn nằm trên khe DPDCH, nó có tác dụng lọc nhiễu trên đường truyền nhưng không thể đạt được tốc độ lớn nhất. Vì R99 ra đời với mục tiêu chính là tăng dung lượng hệ thống cho các dịch vụ thoại so với hệ thống 2G (GSM) mà thôi chứ chưa sự đạt được những yêu cầu và kỳ vọng đối dịch vụ số liệu vì tốc độ hỗ trợ dữ liệu còn thấp (khoảng 384 kbps). Đối với dịch vụ thoại thì chúng ta đã biết, nguồn tài nguyên (mã, công suất, nhiễu) yêu cầu để truyền dẫn dịch vụ này là không thay đổi (do tốc độ truyền dẫn là không thay đổi) do đó điều khiển công suất thực sự hiệu quả vì nó giảm nhiễu MAI làm cho dung lượng kênh thoại mà hệ thống có thể đáp ứng trên một đơn vị tài nguyên vô tuyến tăng lên.
Tuy vậy khi triển khai các dịch vụ số liệu ( File Transfer, Internet Access, E- mail,…) chúng ta thấy rằng đặc thù của những dịch vụ này là yêu cầu nguồn tài nguyên rất lớn và trong khoảng một thời gian ngắn. Ví dụ như nếu truy nhập vào một trang web nào đó thì cùng một lúc nội dung văn bản và hình ảnh của website cần truyền đến máy đầu cuối trong một khoảng nhất định. Sau khi nội dung trang web đã download về máy đầu cuối thì thông thường người sử dụng sẽ xem nội dung và không truy nhập tài nguyên hệ thống nữa. Những dịch vụ mà yêu cầu nguồn tài nguyên lớn và trong khoảng thời gian ngắn như vậy trong kỹ thuật người ta gọi chung một tên là “bursty data service”.
Với kênh HS-DSCH trong HSDPA thì người ta cấp phát 15 mã trải phổ với hệ số trải 16 để dùng chung giữa các máy trong cùng một sector. Các máy được cấp phát tài nguyên trong từng khoảng thời gian nhất định (TDM). Bộ scheduler sẽ cấp phát tài
nguyên: bao nhiêu mã trải phổ, công suất là bao nhiêu phụ thuộc vào yêu cầu dịch vụ, trạng thái kênh của user đó.
Hình 3.5: Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH
Hình 3.6: Trạng thái kênh của các user
Như hình 3.7, tại khoảng thời gian đầu tiên User 1 có trạng thái kênh tốt nên bộ scheduler đưa ra quyết định cấp phát tài nguyên cho User này. Khi đã quyết định cấp phát tài nguyên cho User 1 này kỹ thuật thích ứng cũng được áp dụng. Nếu trạng thái kênh của User lúc này tốt và nhu cầu về tốc độ truyền dẫn lớn thì máy phát có thể dùng điều chế 16-QAM hoặc mã kênh với tỷ lệ mã lớn để truyền tốc lớn hơn. Đến khoảng thời gian thứ 2, User 2 sẽ được cấp phát để truyền dẫn vì User 2 có trạng thái kênh tốt hơn như trên hình vẽ. Bằng việc cấp phát tài nguyên động, kết hợp với kỹ thuật thích ứng (ACM) chúng ta có thể thấy rằng kênh truyền dẫn chung luôn có chất lượng kênh ở mức tốt được thể hiện ở đường nét đứt trên hình vẽ.
Ngoài dữ liệu người sử dụng, Node-B còn thực hiện truyền dẫn báo hiệu điều khiển nhằm thông báo sắp xếp cho người dùng kế tiếp. Báo hiệu này được sắp xếp trong kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao (HS-SCCH), là kênh dùng chung cho các người sử dụng, và nó được thực hiện bằng cách truyền dẫn hai khe thời gian HS- SCCH TTI. Kênh HS-SCCH mang những thông tin sau:
- Mặt lạ ID của những người dùng đặc trưng UE. Nhiệm vụ chính của mặt lạ là xác định người dùng được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo.
- Thông tin liên quan đến khuôn dạng truyền tải, mô tả các mã định kênh, phương thức kỹ thuật điều chế được sử dụng. Tỉ lệ mã hoá được trích ra từ kích cỡ của block truyền tải và các tham số khuôn dạng truyền tải khác.
- Thông tin liên quan đến HARQ: đó có thể là chu kỳ phát tiếp theo sẽ là một block mới hay là một block được phát lại (do có thể gặp lỗi trước đó nên yêu cầu phát lại) và thông tin về các phiên bản.
Thông tin điều khiển này chỉ được sử dụng cho các UE sẽ được phục vụ trong chu kỳ tiếp theo, như vậy kênh báo hiệu này là một kênh chia sẻ theo thời gian cho tất cả các user.
RNC cũng có thể chỉ rõ công suất được khuyến nghị cho HS-SCCH (độ lệch liên quan tới các bit hoa tiêu của của kênh DPCH kết hợp). Công suất phát của HS- SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tuỳ theo một chiến lược điều khiển công suất nào cho HS-DCCH.
3.4.1.2 Kênh điều khiển vật lý tốc độ cao: HS-DPCCH
Đây là kênh đường lên, được sử dụng mang tín hiệu báo nhận (ACK) đến Node-B trên mỗi block. Nó cũng được dùng để chỉ thị Chất lượng kênh CQI (Channel Quality), là yếu tố được sử dụng trong AMC.
Kênh HS-DPCCH dùng để cố định hệ số phân bố 256 và có một khe cấu trúc có độ rộng là 2/3 ms.
+ Khe đầu tiên được sử dụng để cho thông tin về HARQ. + Hai khe còn lại được dành cho CQI.
Thông tin về HARQ luôn luôn được gửi khi mà kênh HS- SCCH giải mã chính xác nhận ở đường tách sóng xuống trong khi đó QCI truyền tần số được điều khiển bởi thông số k.
Cả 2 khe đều hoạt động riêng biệt để lặp điều khiển. Ví dụ, trong một số trường hợp, quá trình lặp lại này diễn ra với chu kỳ 2 ms và hoạt động ở cạnh của tế bào khi công suất hiện tại không chắc chắn đủ cho quá trình lặp lại. Công suất điều khiển từ những tế bào HSDPA cũng có thể làm giảm bớt công suất nhận từ kênh HS-DPCCH trong quá trình chuyển giao trong miền nhỏ như thiết bị đầu cuối làm giảm công suất truyền nếu mỗi tế bào hoạt động gửi một lệnh yêu cầu.
Hình 3.7 Cấu trúc kênh HS-DPCCH
Như vậy là việc không dùng điều khiển công suất mà điều khiển cấp phát nguồn tài nguyên sẽ làm cho dung lượng hệ thống tăng nhờ lợi dụng đặc tính biến đổi của kênh fading. Rõ ràng bằng việc sử dụng điều khiển truyền dẫn đã làm thay đổi cách nhìn về fading. Nếu trước đây chúng ta coi đó là một nhược điểm của môi trường truyền dẫn hở và tìm cách tránh, xóa bỏ thì bây giờ chúng ta lại được nhờ nó do chúng ta hiểu và sử dụng nó đúng tình huống.
Dung lượng của hệ thống theo phương pháp này càng tăng nếu như mật độ thuê bao trong sector càng cao vì với nhiều User phân bố đều ở tất cả các vị trí trong cell thì ở bất cứ thời điểm nào cũng có ít nhất một User có trạng thái kênh cực tốt để truyền dẫn với tốc độ cực lớn. Độ tăng dung lượng này người ta thường nhắc đến với tên gọi phân tập đa người sử dụng- Multi-User Diversity. Tuy nhiên có người sẽ đặt ra một câu hỏi là: Nếu bộ scheduler quyết định cấp phát tài nguyên dựa trên trạng thái kênh của máy đầu cuối thì sẽ có trường hợp có User sẽ không truyền dẫn được trong một khoảng thời gian dài vì User này luôn ở trạng thái kênh kém hơn những User khác?. Thắc mắc này hoàn toàn hợp lý. Và nó dẫn đến vấn đề cân bằng giữa dung lượng hệ thống và sự thỏa mãn đối với người sử dụng. Sự thỏa mãn ở đây nghĩa là không để một User phải đợi quá lâu mới được truy nhập hệ thống. Để đạt được yếu tố cân bằng này các bộ scheduler được thiết kế ngoài dựa trên nguyên tắc ở trên còn phải kết hợp với nguyên tắc Round-Robin (first come, first serve). Và mỗi nhà sản xuất thiết bị sẽ có những lựa chọn thiết kế khác nhau chứ không nhà sản xuất nào giống nhà sản xuất nào vì bản thân vấn đề này chỉ được đưa ra nguyên lý trong 3GPP và 3GPP2 chứ không chuẩn hóa thành một kỹ thuật đặc biệt cụ thể.
Một điều thú vị khác nữa cần phải nhắc đến là không dùng điều khiển công suất mà điều khiển thu phát có động lực tốt đối với sự phát triển của thị trường máy đầu cuối. Điều này có thể được giải thích như sau: Khi điều khiển thu phát, bộ lập lịch gói dựa vào những thông tin trạng thái kênh do MS gửi về (Channel Quality Indicator Channel). Mà thường thì MS sẽ dựa vào tham số SIR (Signal to Inteference Ratio) để yêu cầu bộ lập lịch cấp phát tài nguyên. Do đó, máy di động càng hiện đại nghĩa là khả năng nén nhiễu càng lớn (nghĩa là SIR lớn) thì bộ lập lịch cấp phát và điều khiển BTS
được lợi chứ không phải là hệ điều hành hưởng lợi như sử dụng điều khiển công suất Vì với điều khiển công suất, nếu máy đầu cuối tốt, BTS yêu cầu MS giảm công suất phát, do đó nhiễu giảm và dung lượng hệ thống tăng. Khi dung lượng tăng đó là lợi ích của hệ điều hành chứ không phải là lợi ích của người sử dụng. Với lợi ích thuộc về khách hàng như vậy có thể nói đây là yếu tố kích thích quá trình tiêu thụ máy đầu cuối sôi động hơn.
CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG TRÊN HSDPA
4.1 VOIP song công toàn phần và thúc đẩy trò chuyện
Khi so sánh với nhiều ứng dụng khác chạy qua IP, lưu lượng yêu cầu cho VoIP song công toàn phần thấp, lên trên tới vài chục Kbps, nhưng những yêu cầu tiềm ẩn mặt khác lại đòi hỏi cao hơn, như vậy một lần nữa , RTT – và không phải lưu lượng nối liên kết- là nhân tố mà người dùng cuối giới hạn dịch vụ thực hiện và dung lượng mạng. Khuyến cáo ITU trong thời gian truyền một đường cho tiếng nói song công toàn phần nói rằng người sử dụng thỏa mãn với độ trễ truyền từ miệng đến tai khoảng 280ms. Với độ trễ lớn hơn 280ms thì sự tương tác của kết nối tiếng nói giảm nhanh chóng.Và khi độ trễ đạt đến 400ms thì tiếng nói không thỏa mãn với sự tương tác kết nối. Chú ý rằng độ trễ được nói đến ở đây là độ trễ từ miệng đến tai, và do đó không chỉ bao gồm độ trễ đường truyền mà còn cả độ trễ xử lý (mã hóa/ giải mã) trong bộ phát và bộ nhận. Khuyến cáo của liên hiệp viễn thông quốc tế ngoài ra cũng bao gồm hướng dẫn cho độ trễ mã hóa / giải mã. Với đa số các bộ lấy mẫu dùng cho di động yêu cầu độ trễ chỉ từ 50ms đến 100ms. Bỏ qua độ trễ xử lý thì độ trễ từ lúc truyền tin cho đến khi kết thúc là nhỏ hơn 200ms. Khi chúng ta so sánh yêu cầu độ trễ này với RTT thấp hơn 200ms trong WCDMA và thấp hơn 100ms trong HSPA. Rõ ràng rằng VOIP làm việc tốt trong cả 2 công nghệ.Với RTT ngắn hơn trong liên kết vô tuyến HSPA, độ trễ cho phép trong đường truyền HSPA là lớn hơn so với WCDMA. Chú ý rằng khi tải ở HSPA tăng lên thì RTT cũng tăng.