3.1.3.1. Tổng quan truy nhập gĩi tốc độ cao (HSPA)
Truy nhập gĩi tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hĩa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002. Truy nhập gĩi đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hĩa 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 2007. Các thơng số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng 3.8.
Bảng 3.8: Các thơng số tốc độ đỉnh R6 HSPA
HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 5,7
Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, trên 14,4Mbps năm 2008. Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps trong giai đoạn hai tốc độ này đạt đến 4 - 5,7 Mbps vào năm 2008. HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sĩng mang hoặc sử dụng một sĩng mang khác để đạt được dung lượng cao.
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.
Khác với WCDMA trong đĩ 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 4.2 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 cĩ thể khơng quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần cĩ bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng.
Hình 3.9: Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA)
3.1.3.2. Truy nhập gĩi tốc độ cao đường xuống (HSDPA)
HSDPA được thiết kế để tăng thơng lượng số liệu gĩi đường xuống bằng cách kết hợp các cơng nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B.
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 vơ tuyến đường xuống khả dụng trong ơ (cơng 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 thơng 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 gĩi thường được truyền theo dạng cụm và vì thể cĩ các yêu cầu về tài nguyên thay đổi nhanh.
Cấu trúc cơ sở thời gian và mã của HS-DSCH được cho trên hình 3.10. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh cĩ hệ số trải phổ 16 (xem phần trên của hình 3.10), trong đĩ số mã cĩ thể sử dụng để lập cấu hình cho HS-DSCH nằm trong khoảng từ 1 đến 15. Các mã khơng 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 3.10 mơ 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). Ngồi việc được ấn định một bộ phận cuả tổng tài nguyên mã khả dụng, một phần tổng cơng suất khả dụng của ơ phải được ấn định cho truyền dẫn HS-DSCH. Lưu ý rằng HS- DSCH khơng được điều khiển cơng suất mà được điều khiển tốc độ. Trong trường hợp sử
Tốc độ HS-DSCH đỉnh 14 4 Mbps trên 2ms Tốc độ bit Iub 0-3 Mbps Thơng số QoS: Tốc độ bit cựcđại: 3Mbps UE Iub Iu-cs Nút B RNC SGSN Số liệu từ GGSN
dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, phần cơng suất cịn lại cĩ thể được sử dụng cho HS-DSCH, điều này cho phép khai thác hiệu quả tổng tài nguyên cơng suất khả dụng.
Hình 3.10. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH
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 vơ tuyến tại phía mạng, nghĩa là tại nút B. Ngồi 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 hĩa việc đưa HSDPA vào các mạng đã triển khai cũng như đảm bảo hoạt động trong các mơi trường mà ở đĩ khơng phải tất cả các ơ đều được nâng cấp bằng chức năng HSDPA.
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 3.11).
Mỗi UE sử dụng HSDPA sẽ thu truyền dẫn HS-DSCH từ một ơ (ơ phục vụ). Ơ phục vụ chịu trách nhiệm lập biểu, điều khiển tốc độ, HARQ và các chức năng MAChs khác cho HSDPA. Chuyển giao mềm đường lên được hỗ trợ trong đĩ truyền dẫn số liệu đường lên sẽ thu được từ nhiều ơ và UE sẽ nhận được các lệnh điều khiển cơng suất từ nhiều ơ. Di động từ một ơ hỗ trợ HSDPA đến một ơ khơng hỗ trợ HSDPA được xử lý dễ ràng. Cĩ
Thời gian Các mã định HS-DSCH TTI 2ms SF=1 SF=2 SF=4 SF=8
Các mã định kênh được sử dụng cho truyền dẫn HS-DSCH (10 trong vd này)
Người sử dụng 1 Người sử dụng 2 Người sử dụng 3
thể đảm bảo dịch vụ khơng bị gián đoạn cho người sử dụng (mặc dù tại tốc độ số liệu thấp hơn) bằng chuyển mạch kênh trong RNC trong đĩ người sử dụng được chuyển mạch đến kênh dành riêng (DCH) trong ơ khơng cĩ HSDPA. Tương tự, một người sử dụng được trang bị đầu cuối cĩ HSDPA cĩ thể chuyển mạch từ kênh riêng sang HSDPA khi người này chuyển vào ơ cĩ hỗ trợ HSDPA.
Hình 3.11. Kiến trúc HSDPA
Cấu trúc kênh tổng thể của HSDPA kết hợp WCDMA được cho trên hình 3.12.
Hình 3.12. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA
Dưới đây ta tổng kết chức năng của các kênh trong HSDPA:
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 gĩi chia sẻ cho nhiều người sử dụng, trong đĩ mỗi HS-PDSCH cĩ hệ số trải phổ khơng 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.
HS-DSCH Số liệu người sử dụng đ ờ ố HS-SCCH Báo hiệu điều khiển cho HS DSCH (F-)DPCH Các lệnh điều khiển ơ ất DPDCH Số liệu người sử dụng đ ờ lê DPCCH Báo hiệu điều khiển h DPDCH HS-DPCCH Báo hiệu điều khiển liên quan
đế HS DSCH
Kênh chia sẻ, cho một ơ Kênh riêng, cho một UE
Trạm phát gốc Thiết bịđầu cuối …… …… …… UE RNC RNC Truyền dẫn HSDPA Đến mạng lõi Đến các nút B khác Đến các nút B khác (F-)DPCH trên DL DCH trên UL Chức năng MAC-hs -Lập biểu -Thích ứng tốc độ Ơ phục vụ Ơ khơng phục vụ
HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel) sử dụng hệ số trải phổ 128 và cĩ cấu
trúc thời gian dựa trên một khung con cĩ độ dài 2ms bằng độ dài cuả HSDSCH. Các thơng tin sau đây được mang trên HS-SCCH:
9 Số mã định kênh,
9 Sơ đồ điều chế,
9 Kích thước khối truyền tải,
9 Gĩi được phát là gĩi mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC,
9 Phiên bản dư,
9 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 kho HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo mã thì cần cĩ nhiều HS- SCCH hơn. Một UE cĩ thể xem xét được nhiều nhất là 4 HS-SCCH tùy vào cấu hình được lập bởi hệ thống.
HS-DPCCH (High Speed- Dedicated Physical Control Channel) đường lên cĩ hệ số trải
phổ 256 và cấu trúc từ 3 khe 2ms chứa các thơng tin sau đây:
9 Thơng tin phản hồi (CQI: Channel Quality Indicator: chỉ thị chất lượng kênh) để báo cho bộ lập biểu nút B về tơc độ số liệu mà UE mong muốn,
9 ACK/NAK (cơng nhận và phủ nhận) cho HARQ.
DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) đi cùng với HS-DPCCH đường lên chứa
các thơng tin giống như ở R3.
F-DPCH (Fractional- Dedicated Physical Channel) đường xuống cĩ hệ số trải phổ 256
chứa thơng tin điều khiển cơng suất cho 10 người sử dụng để tiết kiệm tài nguyên mã trong truyền dẫn gĩi
3.1.3.3. Truy nhập gĩi tốc độ cao đường lên (HSUPA)
Cốt lõi của HSUPA cũng sử dụng hai cơng nghệ cơ sở như HSDPA: lập biểu nhanh và HARQ nhanh với kết hợp mềm. Cũng giống như HSDPA, HSUPA sử dụng khoảng thời gian ngắn 2ms cho TTI đường lên. Các tăng cường này được thực hiện trong WCDMA thơng qua một kênh truyền tải mới, E-DCH (Enhanced Dedicated Channel: kênh riêng tăng cường).
Mặc dù sử dụng các cơng nghệ giống HSDPA, HSUPA cũng cĩ 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:
9 Trên đường xuống, các tài nguyên chia sẻ là cơng 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 cơng suất của nhiều nút nằm phân tán (các nút UE),
9 Trên đường xuống bộ lập biểu và các bộ đệm phát được đặt trong cùng một nút, cịn trên đường lên bộ lập biểu được đặt trong nút B trong khi đĩ các bộ đệm số liệu được phân tán trong các UE. Vì thế các UE phải thơng báo thơng tin về tình trạng bộ đệm cho bộ lập biểu,
9 Đường lên WCDMA và HSUPA khơng trực giao và vì thế xẩy ra nhiễu giữa các truyền dẫn trong cùng một ơ. Trái lại trên đường xuống các kênh được phát trực giao. Vì thế điều khiển cơng suất quan trọng đối với đường lên để xử lý vấn đề gần xa. E-DCH được phát với khoảng dịch cơng suất tương đối so với kênh điều khiển đường lên được điều khiển cơng suất và bằng cách điều chỉnh dịch cơng suất cho phép cực đại, bộ lập biểu cĩ thể điều khiển tốc độ số liệu E-DCH. Trái lại đối với HSDPA, cơng suất phát khơng đổi (ở mức độ nhất định) cùng với sử dụng thích ứng tốc độ số liệu,
9 Chuyển giao được E-DCH hỗ trợ. Việc thu số liệu từ đầu cuối tại nhiều ơ là cĩ lợi vì nĩ đảm bảo tính phân tập, trong khi đĩ phát số liệu từ nhiều ơ trong HSDPA là phức tạp và chưa chắc cĩ lợi lắm. Chuyển giao mềm cịn cĩ nghĩa là điều khiển cơng suất bởi nhiều ơ để giảm nhiễu gây ra trong các ơ lân cận và duy trì tương tích ngược với UE khơng sử dụng E-DCH,
9 Trên đường xuống, điều chế bậc cao hơn (cĩ xét đến hiệu quả cơng suất đối với hiệu quả băng thơng) 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 cơng suất truyền dẫn khả dụng lại khá cao. Đối với đường lên tình hình lại khác; khơng cần thiết phải chia sẻ các mã định kênh đối với các người sử dụng khác và vì thế thơng thường tỷ lệ mã hĩa 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 ơ vĩ mơ và vì thế khơng được xem xét trong phát hành đầu của HSUPA.