HSDPA sử dụng ba kênh vật lý mới bao gồm kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel), kênh vật lý điều khiển dành riêng tốc độ cao HS-DPCCH (High Speed-Dedicated Physical Control Channel) và kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High Speed- Physical Downlink Shared Channel). Trong đó, kênh HS-SCCH là kênh điều khiển đường xuống, kênh HS-DPCCH là kênh điều khiển đường lên và kênh HS- PDSCH là kênh mang số liệu chính được chia sẻ giữa các người dùng trên đường xuống. Kênh truyền tải HS-DSCH sẽ được lớp MAC sắp xếp lên kênh vật lý HS-PDSCH trước khi được phát đến người dùng. Ngoài ba kênh vật lý trên, HSDPA đòi hỏi phải có ít nhất một kết nối DCH (gồm có DPCCH và DPDCH) hoạt động song song. Nếu dịch vụ cung cấp cho UE chỉ bao gồm dịch vụ số liệu thì kênh DCH mang các thông tin báo hiệu. Còn đối với trường hợp dịch vụ cho các UE có các dịch vụ chuyển mạch kênh như thoại AMR hoặc thoại hình ảnh thì các dịch vụ này sẽ được phụ vụ song song với HSDPA bằng các kênh DCH. Ngoài ra, trong
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 19
giai đoạn đầu khi công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao – HSUPA (High Speed-Uplink Packet Access) chưa được chuẩn hóa bởi 3GPP thì dữ liệu đường lên trong HSDPA phải được truyền qua kênh DCH.
Như đã đề cập ở trên, HSDPA sử dụng kênh chia sẻ đường xuống HS- DSCH cho các người dùng HSDPA trong ô. Khác với các kênh trong WCDMA, kênh HS-DSCH được trải phổ với hệ số trải phổ cố định là SF = 16 (tức là có 16 mã định kênh HS-PDSCH), trong đó các mã từ 1 đến 15 được sử dụng cho kênh HS- DSCH, mã còn lại được dùng cho mục đích khác như báo hiệu điều khiển hoặc phục vụ cho các dịch vụ đa pương tiện MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Services).
Hình 2.5. Các kênh cần cho hoạt động HSDPA trong R5
Các kênh HS-DSCH được chia sẻ cho từng người dùng trong các khoảng thời gian TTI, có thể là trong một TTI hoặc một vài TTI. Một người dùng có thể được cấp phát một vài mã định kênh hoặc tất cả 15 mã trong một hoặc một vài TTI liên tiếp. Do đó có thể xem hoạt động của HSDPA dựa trên nguyên lý ghép kênh phân chia theo mã – CDM (Code Division Multiplexing) kết hợp với ghép kênh phân chia theo thời gian – TDM (Time Division Multiplexing). Việc cấp phát động này được thực hiện nhờ bộ lập biểu tại Nút B. Với TTI = 2ms, đảm bảo thời gian trễ trong HSDPA là thấp hơn rất nhiều so với WCDMA hiện tại (TTI = 10ms). Bên cạnh đó, việc giảm TTI xuống còn 2ms giúp cho việc lập biểu ấn định kênh cho mỗi người dùng cũng như lựa chọn phương pháp mã hóa và điều chế trở nên linh hoạt hơn rất nhiều so với sự thay đổi nhanh của chất lượng kênh truyền.
Hoạt động của HSDPA có thể được xem như một quá trình phân tập đa người sử dụng. Nguyên lý của việc phân tập đa người sử dụng có thể được minh họa trong hình 2.7. Trong một ô phục vụ có nhiều người dùng, mỗi người dùng có một
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 20
kênh truyền riêng với những điều kiện về trễ truyền dẫn và ảnh hưởng Fading khác nhau. Do đó, chất lượng kênh truyền của mỗi người dùng biến thiên theo từng thời điểm. Hoạt động cấp phát tài nguyên mạng của bộ lập biểu tại Nút B dựa trên sự thay đổi của chất lượng kênh truyền đến từng người dùng. Bằng các thông tin phản hồi từ các người dùng cụ thể là các chỉ thị chất lượng kênh – CQI (Channel Quanlity Indicator) mà bộ lập biểu sẽ quyết định tài nguyên sẽ được cấp phát cho người dùng nào trong từng TTI. Các bản tin CQI được các thiết bị người dùng UE gửi định kì về Nút B.
Hình 2.6 Cấu trúc thời gian và mã HS-DSCH
Do đó, tại Nút B luôn có sự đánh giá chính xác về chất lượng kênh truyền đến các người dùng. Rõ ràng ta thấy tài nguyên mạng được tận dụng tốt hơn do tính ngẫu nhiên của Fading ảnh hưởng đến các kênh truyền và thời điểm yêu cầu dịch vụ từ các người dùng. Một UE chỉ được cấp phát kênh khi chất lượng kênh truyền đến UE đó là tốt và ngược lại khi chất lượng kênh xấu thì tài nguyên sẽ được cấp phát cho một UE có chất lượng kênh truyền tốt hơn.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 21
Hình 2.7 Nguyên lý phân tập đa người dùng trong HSDPA
Để cung cấp thông tin về chất lượng kênh cho Nút B, các thiết bị đầu cuối UE gửi các chỉ thị chất lượng kênh CQI trên kênh HS-DPCCH theo chu kì xác định. Ngoài ra, các kênh HS-DPCCH còn mang các bản tin báo nhận ACK/NACK được gửi về từ UE. Hình bên dưới minh họa quá trình gửi các bản tin CQI và ACK/NACK trên kênh điều khiển đường lên HS-DPCCH theo chu kì là 10ms. Khi người dùng không di chuyển, tức là kênh truyền không có sự thay đổi lớn, các bản tin phản hồi này có thể được thiết lập với chu kì dài hơn như 20ms, 40ms hoặc thậm chí 40ms.
Các chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI còn được sử dụng cho quá trình điều chế và mã hóa thích ứng - AMC của HSDPA. Như đã phân tích ở trên, một khi nhận được các bản tin CQI, Nút B sẽ nhận định được chính xác về chất lượng kênh truyền đến từng người dùng. Sự nhận định này không chỉ giúp cho Nút B quyết định dữ liệu được gửi đến người dùng nào mà còn giúp Nút B chọn được một phương pháp điều chế và mã hóa dữ liệu thích hợp với kênh truyền lúc đó. Các chỉ số CQI được qui định ở 32 mức cụ thể, trong đó mỗi giá trị CQI qui định một phương pháp điều chế và kích thước khối truyền tải tối đa trong một TTI mà UE có thể nhận được với xác suất lỗi < 10% . Hai phương pháp điều chế được sử dụng trong HSDPA là QPSK và 16QAM. Điều chế 16QAM được sử dụng khi kênh truyền đạt chất lượng cao và QPSK được sử dụng trong trường kênh truyền kém hơn.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 22
Hình 2.8 Các gói tin HS-DPCCH được gửi định kỳ về Node B
ACK/NACK là các bản tin báo nhận được sử dụng trong thủ tục yêu cầu phát lại tự động lai – HARQ giữa UE và Nút B. Khi một khối dữ liệu được gửi đến UE trong một TTI, sau quá trình giải mã và kiểm tra CRC, nếu dữ liệu thu được là chính xác, bản tin ACK sẽ được gửi về từ UE để báo cho Nút B biết nó đang chờ nhận khối dữ liệu tiếp theo. Ngược lại, Nút B sẽ nhận được NACK nếu quá trình kiểm tra CRC thất bại và quá trình phát lại dữ liệu được thực hiện tại Nút B. Kỹ thuật yêu cầu phát lại tự động - ARQ (Automatic Repeat reQuest) đã được ứng dụng trong UMTS WCDMA và được tiếp tục phát triển trong HSDPA. Nếu như trước đây, phần dữ liệu bị lỗi sau khi kiểm tra CRC sẽ bị xóa đi trong khi chờ phát lại thì HARQ thực hiện kết hợp dữ liệu phát lại và dữ liệu bị lỗi trước đó. Bằng cách kết hợp này, tỉ lệ giải mã thành công các gói tin cao hơn rất nhiều, do đó giảm yêu cầu phát lại đáng kể. Kênh số liệu HS-PDSCH chỉ được sử dụng khi có dữ liệu cần phát đến UE trong khi trên kênh HS-DPCCH các chỉ thị chất lượng kênh được gửi liên tục về Nút B.
Trước khi một khối dữ liệu được phát đến một UE theo sự điều khiển của bộ lập biểu tại Nút B, kênh điều khiển đường xuống HS-SCCH được sử dụng để thông báo cho UE biết là sắp có dữ được phát đến. Gói tin báo hiệu cho mỗi khối dữ liệu được phát đến một UE trong một TTI có độ dài là 2ms (bằng độ dài một TTI kênh HS-DSCH). Các gói tin báo hiệu cho các UE khác nhau được phân biệt bằng mã nhận dạng thiết bị đầu cuối – UE ID (User Equipment Identifier). Một khi UE nhận
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 23
được UE ID trong trên kênh HS-SCCH, UE tiến hành lưu và giải mã phần còn lại của gói tin báo hiệu đường xuống. Các thông tin báo hiệu trên kênh HS-SCCH bao gồm thông tin định dạng truyền tải kênh HS-DSCH và các thông tin phục vụ cho quá trình phát lại HARQ.
Hình 2.9 Quan hệ thời gian giữa các gói tin
Các thông tin định dạng truyền tải được sử dụng để xác định mã định kênh HS- PDSCH sẽ được phát đến UE cũng như những thông tin phục vụ cho quá trình giải điều chế tại UE. Có bốn mã định kênh HS-SCCH được sử dụng trong một ô phục vụ HSDPA. Thiết bị người dùng UE luôn tiến hành giám sát bốn kênh HS-SCCH này trên đường xuống.
Quan hệ thời gian giữa các gói tin phục vụ cho hoạt động của HSDPA được minh hoạ trên hình 2.9. Các chỉ thị bản tin CQI được UE gửi về Nút B theo chu kì xác định, thường là 10ms. Trước khi một khối dữ liệu được phát đến UE, gói tin báo hiệu trên kênh HS-SCCH được phát đến UE có độ dài 2ms. Khối dữ liệu được phát trên kênh HS-PDSCH đến UE trễ hơn kênh HS-SCCH là 4/3ms (2 khe thời gian gói HS- SCCH). Sau khi nhận xong khối dữ liệu được phát trên kênh HS-PDSCH, các bản tin báo nhận ACK/NACK được gửi về Nút B. Thời gian từ lúc nhận xong khối dữ liệu HS-PDSCH cho đến khi các bản tin ACK/NACK được phát về Nút B là 5ms. Khoảng thời gian này đủ cho UE tiến hành giải mã và kiểm tra CRC khối dữ liệu vừa nhận được.
Quá trình hoạt động của HSDPA đòi hỏi phải có các bộ đệm số liệu lớn tại Nút B và thiết bị đầu cuối UE. Bộ đệm tại Nút B được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đang
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 24
chờ được lập biểu phát đến Nút B cũng như dữ liệu phục vụ cho quá trình phát lại HARQ. Bộ đệm tại UE cũng cần được hỗ trợ dung lượng lớn hơn để lưu các khối dữ liệu bị lỗi để kết hợp với phần dữ liệu phát lại.