4.1.1.1. 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) HS-DSCH cho phép cấp phát nhanh một bộ phận tài nguyền 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 trường được truyền theo dạng cụm và vì thế 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 4.1. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 (phần trên của hình 4.1), trong đó số mã được 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.
HSPA
Hình 4.1: Cấu trúc thời gian mã của HS-DSCH
Phần dưới của hình 4.1 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng trên cơ sở khoảng thời gian truyền dẫn TTI = 2ms. HSDPA 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. Với lưu ý rằng HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển tốc độ. Sau khi phục vụ các kênh khác, 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.
4.1.1.2.Lập biểu phụ thuộc kênh
Lập biểu 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 nào 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 4.2). 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
HSPA
pha đinh nhanh là hiệu ứng không mong muốn và rằng cần chống lại nó, bằng cách lập biểu phụ thuộc kênh thì pha đinh có lợi và cần khai thác nó.
Có các chiến lược lập biểu khác nhau. Chiến lược của bộ lập biểu thực tế là khai thác các thay đổi ngắn hạn (do pha đinh đa đường) và 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 4.2: Lập biểu phụ thuộc kênh 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 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.
4.1.1.3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao
Như ta đã biết, 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
HSPA
Eb/N0 cao hơn. Vì thế 16QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lợi. Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh.
4.1.1.4. 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 để phát lại so với phát hành R3.
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 độ dư (IR) được sử dụng làm cơ sở cho kết hợp mềm trong HSDPA, nghĩa là các lần phát lại có thể chứa các bít chẵn lẻ không có trong các lần phát trước. Ta đã biết rằng 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.
4.1.1.5.Kiến trúc
Từ các phần trên ta thấy rằng các kĩ thuật HSDPA dựa trên thích ứng nhanh đối với các thay đổi nhanh trong các điều kiện kênh. Vì thế các kĩ 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 đạt được sự phân tách giữa các lớp chức năng của R3 càng xa càng tốt. 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, MAC-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
HSPA
cho phép HSDPA đối với các người sử dụng, HSDPA chủ yếu tác động lên nút B (hình 4.3).
Hình 4.3: 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 dàng. 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
4.1.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến HSDPA
Hình 4.4 trình bày tổng quan các giải thuật HSDPA RRM quan trọng nhất tại RNC và nút B. Tại RNC, các giải thuật HSDPA mới bao gồm ấn định tài nguyên, điều khiển cho phép và quản lý di động. Trong ngữ cảnh này, ấn định tài nguyên là chức năng ấn định công suất và các mã định kênh cho nút B để truyền dẫn HSDPA trong từng ô. Điều khiển cho phép của HSDPA khác điều khiển cho phép của R3 DCH vì HSDPA dựa trên khái niệm kênh chia sẻ. Quản lý di động cho HSDPA cũng là một chức năng mới, vì số liệu chỉ phát trong một ô đến UE tại một thời điểm và cần có quản lý bộ đệm hiệu dụng của nút B trong các chuyển giao do kiến trúc phân bố. Các giải thuật HSDPA RRM sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần 4.2. Tại nút B, cần có một chức năng thích ứng đường truyền HS-DSCH mới để điều chỉnh tốc độ bít của HS-DSCH trong từng TTI phụ thuộc vào chất lượng thu của người sử dụng. Điều khiển công suất kênh HS-SCCH cần thiết để giảm thiều chi phí công suất trong khi vẫn đảm bảo thu tin cậy. Cuối cùng, bộ lập biều gói của MAC-hs trong nút B điều khiển tần suất phục vụ người sử dụng được phép trên kênh HS-DSCH. Một bộ lập biểu gói MAC-hs được thiết kế tốt có khả năng cực đại hóa dung lượng trong khi vẫn đảm bảo trải nghiệm thú vị của người sử dụng đầu cuối. Các giải thuật HSDPA RRM mới tại nút B được trình bày trong phần 4.3. Lưu ý rằng 3GPP chỉ định nghĩa các giao diện và các yêu cầu hiệu năng tối thiểu của UE. Vì thế các nhà sản xuất thiết bị mạng có thể tự mình thiết kế các nút B và các giải thuật RRM dựa trên nút B và dựa trên RRC theo yêu cầu của thị trường.
Hình 4.4 Tổng quan các giải thuật HSDPA RRM
4.2 Các giải thuật RNC cho HSDPA
4.2.1 Ấn định tài nguyên
Trước khi nút B có thể truyền dẫn số liệu trên HS-DSCH, RNC điều khiển cần ấn định các mã điều khiển và công suất cho truyền dẫn HSDPA. Ít nhất, một mã HS-SCCH với hệ số trải phổ SF=128 và một mã HS-DPSCH với hệ số trải phổ SF=16 phải được ấn định cho nút B. Sử dụng giao thức NBAP (Node Application Part) được định nghĩa trong 3GPP, RNC và nút B thông báo cho nhau. Các tài nguyên được ấn định bằng cách gửi đi một bản tin ‘NBAP: yêu cầu lập lại cấu hình kênh chia sẻ vật lý’ từ RNC điều khiển đến nút B (hình 4.5). Vì thế việc ấn định các mã định kênh cho truyền dẫn HSDPA chỉ yêu cầu báo hiệu giữa RNC và nút B. Nói chung nên ấn định càng nhiều mã HS-DSCH cho nút B càng tốt vì điều này cho phép cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần của HS-DSCH. Tuy nhiên việc ấn định quá nhiều mã HS-DSCH có thể dẫn đến chặn các người sử dụng R3 DCH vì không còn mã để truyền đồng thời các kênh R3 DCH. Rất may là nếu nghẽn mã định kênh bị phát hiện, RNC điều khiển có thể nhanh chóng giải phóng một số mã đã ấn định cho HS-DSCH để ngăn chặn nghẽn các kêt nối thoại hay video R3.
RNC Nút B Ấn định tài nguyên Điều khiển cho phép Quản lý di động Thích ứng đường truyền HS-DSCH Lập biểu gói
Điều khiển công suất HS-SCCH
Hình 4.5 Báo hiệu để ấn định tài nguyên HSDPA
Truyền dẫn HS-DSCH đến nhiều người sử dụng đồng thời trong một TTI đòi hỏi nhiều mã HS-SCCH và nhiều mã HS-PDSCH. Thông thường ghép kênh mã là giải pháp hữu ích đối với các kịch bản trong đó một nút B ấn định nhiều mã HS-PDSCH hơn so với số mã được hỗ trợ bởi các đầu cuối HSDPA. Nút B có thể hỗ trợ 10-15 mã HS-PDSCH trong khi đầu cuối HSDPA chỉ có thể hỗ trợ 5 mã HS-PDSCH. Giải thuật để ấn định các mã HS-SCCH cho nút B vì thế có thể được rút ra như là một hàm phụ thuộc vào các mã HS-PDSCH được ấn định và các loại HSDPA UE trong ô.
Trong hầu hết các trường hợp tài nguyên đường xuống khan hiếm nhất là công suất. Hình 4.6 cho thấy quỹ công suất đường xuống cho một ô có cả truyền dẫn HSDPA lẫn các kênh R3. Quỹ công suất bao gồm cần cho các kênh chung như P-CPICH, công suất cho các truyền dẫn R3 DCH và công suất cho truyền dẫn HSDPA. Công suất cho các DCH thời gian thực được quản lý bởi điều khiển cho phép của RNC còn công suất DCH phi thời gian thực được điều khiển bởi bộ lập biểu gói của RNC. Công suất cho DCH phi thời gian thực được đặc trưng như là công suất khả điều khiển nghĩa là có thể được điều chỉnh thông qua thay đổi tốc độ bít, trong khi công suất cho các kênh chung và cho DCH thời gian thực được coi là không thể điều khiển. Thí dụ về trường hợp ấn định công suất được minh họa trên hình 4.6. Giả thiết là mô hình RRM theo công suất, giải thuật RNC RRM có nhiệm vụ duy trì tổng công suất cho tất cả các kênh R3 thấp hơn ptxTarget (đích công suất phát). Để có thể thực hiện các sơ đồ này với cả HSDPA, nút B có thể được lập cấu hình để báo cáo các kết quả đo công suất trung bình trên một sóng mang không dùng cho HSDPA (như minh họa trên hình 4.6). Dựa trên các kết quả đo này, RNC có thể tiến hành điều khiển cho phép và lập biều cho các kênh R3 với truyền dẫn HSDPA đồng thời.
NBAP: yêu cầu lập lại cấu hình kênh chia sẻ vật lý Nút B RNC điều
Hình 4.6 Minh họa quỹ công suất đường xuống Có hai tùy chọn chính để ấn định công suất cho từng nút B:
• Tùy chọn 1: RNC điều khiển ấn định một khối lượng công suất truyền dẫn HSDPA cho từng ô. Sau đó nút B có thể sử dụng công suất này để truyền dẫn HS-SCCH và HS-PDSCH. Sau này RNC có thể cập nhật ấn định công suất truyền dẫn HSDPA tại mọi thời điểm.
• Tùy chọn 2: Nếu RNC không ấn định tường minh công suất truyền dẫn HSDPA cho nút B, nút B được phép sử dụng toàn bộ công suất trong ô cho truyền dẫn HSDPA. Nghĩa là nút B có thể điều chỉnh công suất truyền dẫn HSDPA sao cho nó bằng công suất phát cực đại trừ đi công suất được sử dụng cho các kênh không phải HSDPA.
Hành vi của tùy chọn 1 và tùy chọn 2 được minh họa trên hình 4.7. Lưu ý rằng công suất không phải HSDPA thay đổi theo thời gian do (1) điều khiển công suất nhanh của các DCH, (2) xảy ra các cuộc gọi thời gian thực mới, (3) kết thúc các cuộc gọi DCH và (4) thay đổi tốc độ bít của các cuộc gọi gói trên DCH. Với sử dụng tùy chọn 2, tổng công suất khả dụng có thể được sử dụng tốt hơn, vì nút B có thể nhanh chóng điều chỉnh