Chương 4 TRUY NHẬP GểI TỐC ĐỘ CAO (HSPA)
4.4. TRUY NHẬP GểI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG (HSDPA)
HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B.
4.4.1 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 các 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 thể 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 4.5. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16
(xem phần trên của hình 4.5), 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.
Hình 4.5. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH
Phần dưới của hình 4.5 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).
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. Trong trường hợp sử dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, 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.
4.4.2. Lập biểu phụ thuộc kênh
Lập biểu (Scheduler) 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 các người) sử dụng nào kết hợp chặt chẽ với cơ chế điều khiển tốc độ (tại tốc độ số liệu nào).
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 4.6). 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 các 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.
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 các 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 4.6. 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 gắt gao về tốc độ số liệu không đổi dài hạn.
Nguyên lý lập biểu của HSDPA được cho trên hình 4.7. Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng người sử dụng HSDPA tích cực dựa trên thông tin phản hồi nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được tiến hành theo giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng.
Hình 4.7. Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B
4.4.3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao
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 tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Eb/N0) cao hơn. Vì thế 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lơi. Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh.
4.4.3.1. Mã hóa kênh HS-DSCH
Do mã hóa turbo có hiệu năng vượt trội mã hóa xơắn nên HS-DSCH chỉ sử dụng mã hóa turbo. Nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa turbo như sau (hình 4.8a). Luồng số đưa vào bộ mã hóa turbo được chia thành ba nhánh, nhánh thứ nhất không được mã hóa và các bit ra của nhánh này được gọi là các bit hệ thống, nhánh thứ hai và thứ ba được mã hóa và các bit ra của chúng được gọi là các bit chẵn lẻ 1 và 2. Như vậy cứ một bit vào thì có ba bit ra, nên bộ mã hóa turbo này có tỷ lệ mã là r=1/3. Tỷ lệ này có thể giảm nếu ta bỏ bớt một số bit chẵn lẻ và quá trình này được gọi là đục lỗ (hình 4.8b).
Hình 4.8. Mã hóa turbo và đục lỗ 4.4.3.2. Điều chế HS-DSCH
HS-DSCH có thể sử dụng điều chế QPSK và 16-QAM. Chùm tín hiệu QPSK và 16QAM được cho trên hình 4.9.
Điều chế QPSK chỉ cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được hai bit, trong khi đó điều chế 16QAM cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được bốn bit vì thế 16QAM cho phép truyền tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên từ hình 4.9 ta thấy khoảng cách giữa hai điểm tín hiệu trong chùm tín hiệu 16QAM lại ngắn hơn khoảng cách này trong chùm tín hiệu QPSK và vì thế khả năng chịu nhiễu và tạp âm của 16QAM kém hơn QPSK.
Hình 4.9. Chùm tín hiệu đièu chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu
4.4.3.3. Truyền dẫn thích ứng trên cơ sở điều chế và mã hóa kênh thích ứng Truyền dẫn thích ứng là quá trình truyền dẫn trong đó tốc độ số liệu được thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường truyền: tốc độ đường truyền được tăng khi chất lượng đường truyền tốt hơn, ngược lại tốc độ đường truyền bị giảm. Để thay đổi tốc độ truyền phù hợp với chất lượng kênh, hệ thống thực hiện thay đổi sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã nên phương pháp này được gọi là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding). Chẳng hạn khi chất lượng đường truyền tốt hơn, hệ thống có thể tăng tốc độ truyền dẫn số liệu bằng cách chọn sơ đồ điều chế 16QAM và tăng tỷ lệ mã bằng 3/4 bằng cách đục lỗ, trái lại khi chất lượng truyền dẫn tồi hơn hệ thống có thể giảm tốc độ truyền dẫn bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế QPSK và không đục lỗ để giảm tỷ lệ bằng 1/3.
4.4.4. 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 đế phát lại so với phát hành R3.
Nguyên lý xử lý phát lại HSDPA được minh họa trên hình 4.10. Đầu tiên gói được nhận vào bộ nhớ đệm của nút B. Ngay cả khi gói đã được gửi đi nút B vẫn giữ gói này. Nếu UE giải mã thất bại nó lưu gói nhận được vào bộ nhớ đệm và gửi lệnh không công nhận (NAK) đến nút B. Nút B phát lại cả gói hoặc chỉ phần sửa lỗi của gói tùy thuộc vào gải thuâth kết hợp gói tại UE. UE kết hợp gói phát trước với gói được phát lại và giải mã. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút B thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ công nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra.
Hình 4.10. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B
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. 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.
Các hình 4.11 cho thấy thí dụ về sử dụng HARQ sử dụng mã turbo cơ sở tỷ lệ mã r=1/3 cho kết hợp phần dư tăng. Trong lần phát đầu gói bao gồm tất cả các bit thông tin cùng với một số bit chẵn lẻ được phát. Đến lần phát lại chỉ các bit chẵn lẻ khác với các bit chẵn lẻ được phát trong gói trước là được phát. Kết hợp gói phát trước và gói phát sau cho ra một gói có nhiều bit dư để sửa lỗi hơn và vì thế đây là sơ đồ kết hợp phần dư tăng.
Hình 4.11. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo 4.4.4. 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, 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 4.12).
Hình 4.12. Kiến trúc HSDPA
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 ràng. 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.
Cấu trúc kênh tổng thể của HSDPA kết hợp WCDMA được cho trên hình 4.13.
Hình 4.13. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA Dưới đây ta tổng kết chức năng của các kênh trong HSDPA:
1. 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 gói chia sẻ cho nhiều người sử dụng, trong đó mỗi HS-PDSCH có hệ số trải phổ không 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.
2. HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel) sử dụng hệ số trải phổ 128 và có cấu trúc thời gian dựa trên một khung con có độ dài 2ms bằng độ dài của HS-DSCH. Các thông tin sau đây được mang trên HS-SCCH:
√ Số mã định kênh
√ Sơ đồ điều chế
√ Kích thước khối truyền tải
√ Gói được phát là gói mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC
√ Phiên bản dư
√ 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 có nhiều HS-SCCH hơn. Một UE có thể xem xét được nhiều nhất là 4 HS-SCCH tùy vào cấu hình được lập bởi hệ thống.
3. HS-DPCCH (High Speed- Dedicated Physical Control Channel) đường lên có hệ số trải phổ 256 và cấu trúc từ 3 khe 2ms chứa các thông tin sau đây:
√ Thông tin phản hồi (CQI: Channel Quality Indicator: chỉ thị chất lượng kênh) để báo cho bộ lập biểu nút B về tôc độ số liệu mà UE mong muốn
√ ACK/NAK (công nhận và phủ nhận) cho HARQ
4. DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) đi cùng với HS-DPCCH đường lên chứa các thông tin giống như ở R3.
5. F-DPCH (Fractional- Dedicated Physical Channel) đường xuống có hệ số trải phổ 256 chứa thông tin điều khiển công suất cho 10 người sử dụng để tiết kiệm tài nguyên mã trong truyền dẫn gói
4.4.5. HSDPA MIMO
MIMO là một trong tính năng mới được đưa vào R7 để tăng các tốc độ số liệu đỉnh thông qua truyền dẫn luồng. Nói một cách chặt chẽ, MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một cách thể hiện tổng quát sự sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và phía thu. Nhiều anten có thể được sử dụng để tăng độ lợi phân tập và vì thế tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu tại máy thu. Tuy nhiên thuật ngữ này thường được sử dụng để biểu thị truyền dẫn nhiều lớp hay nhiều luồng như là một phương tiện để tăng tốc độ số liệu đến mức cực đại có thể trong một kênh