1. 2 Khái niệm HSDPA
2.2.Kiến trúc giao thức trong HSDPA
Trong mạng thông tin di động để tiện cho công việc nghiên cứu và phát triển,
các tổ chức viễn thông đã mô hình hóa hệ thống và tạo ra các bộ giao thức nhằm giúp các thiết bị có thể giao tiếp với nhau giống như mô hình OSI trong mạng thông tin. Hình 2.4 là kiến trúc giao thức cơ bản của WCDMA, HSDPA đã cải tiến thêm cho các phần tử trong bộ giao thức này.
Hình 2.3: Kiến trúc giao thức WCDMA.
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 27 2.2.1. Giao thức chuyển đổi dữ liệu.
Dữ liệu người dùng được gửi từ mạng lõi tới sẽ được các bộ giao thức chuyển đổi dữ liệu gói (Packet Data Convergence Protocol – PDCP) nén các tiêu đề chính (Header) việc nén tiêu đề này chỉ sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói, nhằm tiết kiệm tai nguyên vô tuyến vì các dịch vụ chuyển mạch gói từ mạng dữ liệu ngoài sử sụng bộ giao thức TCP/IP có phần giao thức Internet (Internet Protocol – IP) khá lớn chiếm đến 2/3 dung lượng: 40 bytes đối với IPv4 và 60 bytes đối với IPv6.
2.2.2. Điều khiển liên kết vô tuyến.
Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control – RLC), có nhiệm vụ phân chia dữ liệu thành những gói nhỏ hơn: các đơn vị giao thức RLC (RLC Protocol - Data Units – RLC PDUs) đồng thời RLC ghép các đơn vị này lại với nhau ở cuối đường truyền. Để đảm bảo các đơn vị gói tin không bị mất trong quá trình truyền RLC sử dụng cơ chế tự động phát lại yêu cầu (Automatic Repeat request – ARQ). RLC có ba cơ chế hoạt động.
Chế độ trong suốt (Transparent): hoạt động khi không có cách giao thức bổ sung, sử dụng cho các dịch vụ thoại AMR. Chế độ này không được sử dụng khi các kênh chuyển vận HSDPA và HSUPA được sử dụng
Chế độ không xác thực (Unacknowledged): không sử dụng cho quá trình truyền lại và sử dụng cho các dịch vụ không yêu cầu độ tin cậy.
Chế độ xác thực (Acknowledged): cung cấp dịch vụ chuyển tải giữa RNC và EU, sử dụng trong các quá trình truyền lại gói dữ liệu và các dịch vụ yêu cầu độ tin cậy cao. Đây là chế độ hoạt động thường xử dụng nhất ký hiệu là RLC-AM
2.2.3. Lớp điều khiển môi trường truy nhập.
Lớp điều khiển môi trường truy nhập (Medium Access Control – MAC), cung cấp các kênh truyền dẫn logic cho RLC, nó cũng chịu trách nhiệm xác định định dạng kênh truyền cho dữ liệu: định dạng kênh truyền là xác định tốc độ tức thời được sử dụng trong kết nối vô tuyến.
Khi luồng dữ liệu đi từ lớp MAC đến lớp vật lý thì mất một khoảng thời gian truyền (Transmission Time Interval – TTI) thời gian này được dùng thực hiện mã hóa, ghép kênh, trải phổ,… thời gian truyền này trong hệ thống W-CDMA, TTI ngắn nhất là 10 ms và có thể là 20 ms, 40 ms, hoặc 80 ms, TTI cho HSDPA là giảm
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 28
2ms. Điều này giúp hệ thống phản ứng nhanh hơn với điều kiện kênh truyền, và đảm bảo cho luồng dữ liệu được truyền trên kênh tốt nhất.
Cuối cùng là lớp vật lý, lớp vật lý sẽ có nhiệm vụ mã hóa, trải phổ điều chế dữ liệu, và điều chế kênh truyền.
Các khối PDCP, RLC, MAC và lớp vật lý, được cấu hình bởi giao thức điều khiển vô tuyến (Radio Resource Control protocol– RRC), RRC sẽ điều chỉnh các thông số cần thiết đáp ứng với chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) nhất định từ mạng lõi. Trong phiên bản 99 các khối MAC, RLC và RRC đều nằm trong RNC trong khi lớp vật lý chủ yếu nằm trong Node B.
Hình 2.4: Quá trình truyền tải gói tin qua RRM
2.2.4. Những cải tiến trong bộ giao thức HSDPA.
HSDPA cũng tuân theo nguyên tắc của RRC này song vị trí các lớp có sự thay đổi đồng thời HSDPA nâng cấp thêm các tính năng mới cho MAC đáp ứng với việc truyền tốc độ cao gọi là MAC-high speed (MAC-hs).
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 29
Hình 2.5: Kiến trúc giao thức trong HSDPA.
MAC-hs được đặt tại NodeB do đó cho phép nhận được các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục giám sát chất lượng tín hiệu cho các thuê bao. Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại diễn ra nhanh hơn. Đặc biệt hơn, lớp MAC-hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng HARQ cho mỗi người dùng, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên của chúng (ví dụ, lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thích hợp cho mỗi TTI. Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải tiến truyền tải của các kênh logic. MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối thiểu hoá dung lượng bộ nhớ đệm của Node B. Việc chuyển hàng đợi dữ liệu đến Node B làm nảy sinh yêu cầu phải có một cơ chế điều khiển luồng được gọi là HS-DSCH Frame Protocol nhằm giữ cho các bộ nhớ đệm tại Node B luôn luôn đầy.
2.3. Cấu trúc kênh HSDPA:
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 30
Hình 2.7 là bản liệt kê tổng quát các kênh truyền dẫn trong HSDPA, trong đó có các kênh nghiệp vụ dành riêng cho người dùng và các kênh chia sẻ, HSDPA chủ yếu khai thác các kênh chia sẻ này. Trong công nghệ W-CDMA, mọi người dùng đều sử dụng chung một kênh tần số với băng thông là 5MHz, kênh này được chia sẻ cho nhiều dịch vụ khác nhau mỗi dịch vụ lại chiếm một băng thông nhất định trong một khoảng thời gian. HSDPA tác động vào các lớp dưới trong hệ thống (chủ yếu là Node B) điều tiết lưu lượng các kênh này sao cho hợp lý và phù hợp với từng dịch vụ, trong các kênh chia sẻ HSDPA sử dụng các kỹ thuật như điều chế đa mã thích ứng (Adaptive Modulation and Coding – AMC), yêu cầu phát lại nhanh (Hybrid Automatic Repeat request- HARQ), kỹ thuật lập lịch, và các cách điều chế nhằm tăng dung lượng kênh và đảm bảo sự toàn vẹn của gói tin. HSDPA chỉ thực hiện tối ưu hóa các kênh truyền dữ liệu, vì vậy các kênh nghiệp cụ như kiểm soát đăng nhập, chuyển giao,… sẽ được thực hiện bởi các kênh nghiệp vụ riêng.
Các kênh chia sẻ được thêm vào trong HSDPA bao gồm:
- Đối với dữ liệu người dùng có kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (High- Speed Downlink Shared Channel - HS-DSCH) và các kênh vật lý tương ứng. Đối với tín hiệu liên quan đến nhu cầu có hai kênh: kênh kiểm soát chia sẻ tốc độ cao (High-Speed Shared Control Channel - HS-SCCH) đường xuống và kênh chuyên dụng kiểm soát vật lý tốc độ cao (High-Speed Physical Downlink SharedCHannel HS -DPCCH) trong hướng uplink.
2.3.1. Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao ( High-Speed Downlink Shared Channel - HS-DSCH ): Channel - HS-DSCH ):
HS-DSCH là kênh truyền tải dữ liệu người trong HSDPA. Trong lớp vật lý HS- (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
DSCH được ánh xạ thànhh kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao (High Speed Physical Downlink Shared Channel – HS-PDSCH). Các đặc điểm chính của kênh HS-DSCH:
Trong mỗi HS-PDSCH sử dụng từ 1-15 kênh mã với hệ số trải phổ SF=16 trong bộ mã lan truyền trực giao (Orthogonal Variable Spreading Factor – OVSF) chia sẻ cho các người dùng trong một cell.
Sử dụng kỹ thuật điều chế 16QAM hoặc QPSK, thời gian truyền dẫn TTI=2 ms. Sử dụng cơ chế truyền dẫn lại nhanh (HARQ) tại lớp vật lý.
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 31
Kênh HS-DSCH không hỗ trợ cho việc chuyển giao, không mang thông tin điều khiển lớp vật lý mà do kênh HS-SCCH đảm nhiệm đối với cell phục vụ HSDPA hoặc kênh DCH đối với ô không phục vụ HSDPA
Không có truyền dẫn gián đoạn ( Discontinuous Transmission – DTX) trong một khe. Các thông tin trong HS-PDSCH đều được phát đầy đủ trong suốt thời gian TTI=2 ms.
Đặc tính quan trọng của kênh HS-DSCH là tính linh động của tài nguyên 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. Không có sự truyền dẫn gián đoạn (DTX) trong một khe giống như trong kênh DCH.
Hình 2.7: Phân bổ tài nguyên trong HS-DSCH.
Các khoảng truyền dẫn gián đoạn DTX có tác dụng lọc nhiễu, nhưng với cùng một tài nguyên mã và hệ số trải phổ thì các khoảng DTX làm gây lãng phí tài nguyên đối với các dịch vụ yêu cầu tốc độ thấp và băng thông hẹp, ta có thể giảm sự lãng phí tài nguyên này bằng cách cấu hình lại đường truyền cho phù hợp song việc cấu hình lại sẽ làm trễ đường truyền tăng lên và gây khóa mạng trong lúc chuyển đổi giữa hai cấu hình. Giải pháp là trong khoảng thời gian 2ms này thì kênh
HS-DSCH sẽ chuyển tài nguyên này cho một người dùng khác đang yêu cầu dịch vụ tốc độ cao, vì vậy mà kênh này không có các truyền gián đoạn.
HS-PDSCH luôn truyền đi trên kết nối HS-SCCH, ngoài ra tại thiết bị đầu cuối luôn nhận được các DCH mang dịch vụ chyển mạch kênh như thoại AMR hoặc video dưới dạng tín hiệu báo hiệu (Signalling Radio Bearer – SRB).
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 32
Kênh HS-DSCH được mã hóa bởi 1 tập mã định kênh từ 1-15 có hệ số trải phổ SF =16 trong bộ mã OVSF. Tài nguyên mã này được ấn định cho mỗi người dùng trong một cell.
Hình 2.8: Bộ mã OVSF sử dụng cho HSDPA.
Việc cấp phát mã này được bộ lập lịch thực hiện. Bộ lập lịch sẽ điều khiển việc dành kênh chia sẻ cho người sử dụng nào tại một thời điểm cho trước. Bộ lập lịch này là một phần tử then chốt và quyết định rất lớn đến tổng hiệu năng của hệ thống, đặc biệt là khi mạng có tải cao. Để có được phân bổ nhanh chóng của các tài nguyên chia sẻ thời gian truyền cũng cần được lựa chọn hợp lý để thích ứng nhanh với sự thay đổi của kênh truyền làm tăng hiệu suất của kênh truyền, HSDPA chọn khoảng thời gian này là 2 ms. Ngoài các điều kiện kênh, bộ lập biểu cũng cần xét đến các điều kiện lưu lượng. Chẳng hạn, lập biểu cho một người sử dụng không có số 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 trong một khoảng thời gian dài, trong khi các dịch vụ nền tải xuống không có yêu cầu gắt gao về tốc độ số liệu.
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 33
Hình 2.9: Trạng thái kênh của các User và bộ mã được phân phối.
Đặc điểm của kênh HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển bởi 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. 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 giữa hai phương thức điều chế QPSK và 16QAM. Điều
2ms 2ms 2ms 2ms Bộ mã đính kèm Time
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 34
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.
2.3.2. Kênh kiểm soát chia sẻ tốc độ cao (High-Speed Shared Control Channel – HS-SCCH) HS-SCCH)
HS-SCCH, đôi khi được gọi là kênh điều khiển chia sẻ, là một chia sẻ kênh vật lý đường xuống mang tín hiệu điều khiển cần thiết cho thiết bị đầu cuối (User Equipment – UE): giải trải phổ, giải điều chế, giải mã cho kênh HS-DSCH. Một khối HS-SCCH gồm 3 khe mỗi khe có độ dài 40 bits, được chia làm 2 phần truyền song song với HS-DSCH sử dụng bộ mã hóa kênh có hệ số trải phổ SF =128. Trong HS-SCCH không mang tín hiệu điều khiển công suất cũng như bit hoa tiêu, nên HS-SCCH có cấu hình thời gian TTI=2 ms giống với HS-DSCH. Trong mỗi khoảng thời gian 2 ms tương ứng với một HS-DSCH TTI, một HS- SCCH mang thông tin đến một UE. Nhưng đối với HSDPA sử dụng HS-DSCH hỗ trợ cho nhiều người dùng cùng lúc theo cơ chế ghép kênh theo mã thì trong một tế bào cần nhiều hơn một kênh HS-SCCH, tùy theo cấu hình của tế bào. Mỗi UE lúc
này có thể giải mã nhiều nhất bốn HS-SCCH cùng một lúc. Kênh HS-SCCH gồm hai phần, với các nội dung như:
- Phần 1: Mang các thông tin của kênh chuyển vận HS-DSCH. Gồm 8 bits và chỉ chiếm một khe
Mã giải trải phổ của kênh HS-DSCH (Channelization-Code Set - CCS) mã này cho biết kênh HS-DSCH được mã hóa bao nhiêu mã. Mã này phụ thuộc vào thiết bị đầu cuối được hỗ trợ giải mã với tối đa bao nhiêu mã 5, 10, 15 mã. Phần này gồm 7 bits.
Phương thức điều chế của kênh HS-DSCH (Modulation Scheme- ModS) là QPSK hay 16QAM, phần này 1 bit. 0 đối với điều chế QPSK, 1 đối với 16QAM.
- Phần 2: Mang thông tin của quá trình H-ARQ. Gồm 13bits, phần mặt nạ người dùng 16 bits. Phần này chiếm hết hai khe (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 35
Kích thước khối dữ liệu (Transport-Block size – TB) mà kênh HS-DSCH mang. Phần này 6 bits
Số ARQ (HARQ) cho biết đoạn dữ liệu này thuộc ARQ nào. Phần này gồm 3 bits.
Phiên bản dự phòng (redundancy version – Xrv) thông tin nhằm báo cho thiết bị đầu cuối giải mã thông tin và kết hợp thông tin đối quá trình truyền lại. Phần này gồm 3 bits.
Chỉ số dữ liệu mới (new-data indicator – NDI), báo cho thiết bị đầu cuối biết dữ liệu truyền đến là dữ liệu được yêu cầu truyền lại hay là khối dữ liệu mới. Đối với khối dữ liệu truyền lại nó sẽ sử dụng các bit trong phiên bản dự phòng để kết hợp đúng với dữ liệu đang nằm trong bộ đệm. Còn đối với khối dữ liệu mới nó sẽ giải phóng bộ đệm để chứa dữ liệu mới. Phần này gồm 1 bit
Mặt nạ người dùng (UE-ID): dùng để xác định thiết bị đầu cuối sẽ được phục vụ trong khung TTI tiếp theo, nó bao gồm CRC và mã hóa của kênh HS-SCCH. Phần này gồm 16 bits.
Hình 2.10: Cấu trúc của kênh HS-SCCH.
Quá trình mã hóa, tham chiếu xuống kênh vật lý và nguyên tắc hoạt động của kênh HS-SCCH được mô tả như sau:
Phần 1 Phần 2 CCS 7 bits ModS 1 bits TB 6 bits HARQ 3 bits Xrv 3 bits NDI 1 bit UE – ID 16 bits
Sinh viên thực hiện: Phạm Phú Thảo Trang 36
Hình 2.11: Quá trình truyền tải của kênh HS-SCCH.
Phần một chứa các thông tin về mã hóa, điều chế của kênh HS-DSCH, sẽ được mã hóa bởi 1/3 bộ mã xoắn. Phần một gồm 8 bits, trước khi được HS-SCCH được tham chiếu xuống kênh vật lý để truyền đi, nó được cài một phần trong chuỗi các bit mang thông tin của EU-ID, các bit này sẽ được mã hóa sao cho phù hợp với 40 bits của một khe TTI. Các chuỗi bit mang thông tin của EU-ID được tạo ra mã hóa 16bits của EU-ID bởi 1/2 bộ mã đục lỗ. Phần một của kênh HS-SCCH được gửi đi