2.2.2.1. Kiến trúc giao thức của HSDPA
Kiến trúc có thể được xác định bao gồm phần người dùng, xử lý dữ liệu người dùng và phần điều khiển. Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC : Radio Resource Control) trong phần điều khiển xử lý tất cả báo hiệu liên quan đến cấu hình các kênh, quản lý tính di động...mà người dùng không thấy được.
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP : Packet Data Convergence Protocol) có chức năng chính là nén header và không liên quan đến dịch vụ chuyển mạch kênh. Nén header là cần thiết vì header không nén trong giao thức IP có kích thước lớn gấp 2 tới 3 lần so với kích thước header đã nén.
Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC: Radio Link Control) điều khiển phân mảnh và truyền lại cho cả dữ liệu người dùng và dữ liệu điều khiển. RLC có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau là :
- Chế độ trong suốt : không có overhead được thêm vào. Chế độ này không thích hợp khi kênh truyền tải của HSDPA và HSUPA được sử dụng.
- Chế độ không có báo nhận : không truyền lại lớp RLC. Chế độ này được dùng với những ứng dụng cho phép sự mất gói như VoIP nhưng không cho phép trễ .
- Chế độ báo nhận : có truyền lại lớp RLC. Chế độ này phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tất cả gói tin truyền đi mà không có sự thất thoát.
Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC : Medium Access Control) trong phiên bản R99 tập trung vào phân bố kênh logic và điều khiển ưu tiên cũng như sự lựa chọn tốc độ dữ liệu, sự lựa chọn định dạng truyền tải. Chuyển mạch kênh truyền tải cũng là một chức năng lớp MAC.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 25
Hình 2.10 Kiến trúc giao thức giao tiếp phiên bản R99
Cả HSDPA và HSUPA đều đưa ra những yếu tố mới trong kiến trúc. Hình 2.11 minh họa cho toàn bộ kiến trúc giao tiếp vô tuyến cho dữ liệu người dùng HSDPA và HSUPA, phần tô đậm là những phần tử giao thức mới có liên quan đến dữ liệu người dùng. Phần điều khiển báo hiệu (không có trong hình 2.10) có thể kết nối dễ dàng tới RLC và mang báo hiệu đi cả trên DCH và trên HSDPA/HSUPA. Đối với dữ liệu người dùng, PDCD điều khiển nén header IP. Phần tử PDCD và RLC trong hình vẽ chỉ ra khả năng những dịch vụ có thể chạy song song.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 26
Hình 2.11 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho dữ liệu người dùng Chức năng lập lịch biểu Node B là một chức năng lớp MAC và có một phần tử giao thức mới là MAC-hs (high speed) trong Node B. Hình 2.12 minh họa một phần của kiến trúc giao thức phần người dùng dựa theo những tính năng bổ sung của HSDPA và vị trí của chúng trong phần tử mạng. RNC điều khiển MAC-d (delicate) với chức năng duy nhất còn lại là chuyển mạch kênh truyền tải vì tất cả những chức năng khác như lập biểu và xử lý ưu tiên đã được chuyển tới MAC-hs. Cần chú ý rằng lớp trên lớp MAC (cụ thể là lớp RLC) phần lớn vẫn không thay đổi ngoại trừ một vài sự tối ưu hóa cho các dịch vụ thời gian thực như VoIP. Ngay cả nếu HSDPA đã có truyền lại lớp vật lý thì lớp RLC vẫn có thể điều khiển truyền lại khi hoạt động của lớp vật lý có sự cố hay trường hợp đặc biệt là kết nối có những sự biến đổi như cell HS-DSCH thay đổi. Đây là chế độ hoạt động có báo nhận của RLC.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 27
Hình 2.12 Kiến trúc giao thức người dùng trong HSDPA
MAC-hs là một lớp con mới được đặt trong nút B chịu trách nhiệm để lập biểu kênh HS-DSCH, điều khiển tốc độ và hoạt động của giao thức HARQ. Để hỗ trợ các tính năng này, lớp vật lý cũng đã được tăng cường bằng các tính năng tương ứng chẳng hạn hỗ trợ kết hợp mềm trong HARQ. Hình 2.13 mô tả MAC-hs và quá trình xử lý lớp vật lý.
MAC-hs bao gồm lập biểu, xử lý ưu tiên, chọn khuôn dạng truyền tải (điều khiển tốc độ) và các bộ phận HARQ. Số liệu có dạng một khối truyền tải với kích thước động được đưa từ MAC-hs thông qua kênh truyền tải HS-DSCH đến xử lý lớp vật lý HS-DSCH.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA Trần Văn Hiếu – D07VT2 28 Xử lý ưu tiên Lập biểu và thích ứng tốc độ (cho một ô) MAC-hs Lớp 2 HS-DSCH Lớp 1 Các luồng MAC-d Hình 2.13 MAC-hs và quá trình xử lý lớp vật lý
Quá trình xử lý lớp vật lý HS-DSCH như sau: 24 bit CRC được gắn vào từng khối truyền tải. CRC được UE sử dụng để phát hiện lỗi trong khối truyền tải thu. Để giải điều chế 16QAM (một kiểu sơ đồ điều chế được hỗ trợ bởi HS-DSCH), máy thu cần biết được biên độ để tạo ra giá trị mềm chính xác trước khi giải mã turbo. Điều này khác với QPSK, trong đó không cần thiết biết biên độ vì tất cả thông tin được chứa trong pha của tín hiệu thu. Để dễ dàng đánh giá tham chuẩn biên độ, sau khi gắn CRC các bit được ngẫu nhiên hóa. Kết quả là chuỗi ra bộ mã hóa turbo được ngẫu nhiên hóa trước khi đưa lên điều chế 16QAM và điều này hỗ trợ cho UE để ước tính chuẩn
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 29
biên độ. Lưu ý rằng ngẫu nhiên hóa được thực hiện cho tất cả các sơ đồ điều chế, mặc dù nói một cách chặt chẽ nó chỉ cần cho 16QAM.
Sơ đồ mã hóa căn bản trong HSDPA là mã hóa turbo tỷ lệ 1/3. Để đạt được tỷ lệ mã hóa do quá trình điều khiển tốc độ lựa chọn, đục lỗ và lặp được sử dụng để phối hợp số bit được mã hóa với số bit khả dụng của kênh vật lý. Cơ chế phối hợp tốc độ cũng là một bộ phận của HARQ lớp vật lý và nó được sử dụng để tạo ra các phiên bản dư khác nhay cho sơ đồ dư tăng. Điều này được thực hiện thông qua các mẫu đục lỗ khác nhau, các bit khác nhau được đục lỗ cho lần lần phát đầu và các lần phát lại.
Phân đoạn kênh vật lý thực hiện phân bố các bit đến các mã định kênh khác nhau được sử dụng cho truyền dẫn sau đó là đan xen.
Sắp xếp chùm tín hiệu chỉ được sử dụng cho 16QAM.
2.2.2.2. Cấu trúc kênh HSDPA 2.2.2.2.1.Kênh HS-SCCH 2.2.2.2.1.Kênh HS-SCCH
Kênh HS-SCCH là một kênh vật lý chia sẻ đường xuống mang các thông tin điều khiển cần thiết cho một UE có thể thực hiện giải trải phổ, giải điều chế và giải mã kênh HS-DSCH. Trong mỗi 2ms (tương ứng với 1 TTI của kênh HS-DSCH), một kênh HS-SCCH thực hiện báo hiệu cho một UE riêng biệt. Bởi vì HSDPA hỗ trợ kênh HS-DSCH cho nhiều người dùng đồng thời theo nguyên lý ghép kênh phân chia theo mã – CDM (Code Division Multilplexing), do đó cần đến một vài kênh HS-SCCH trong một ô. Dựa theo các đặc tính kỹ thuật, trong một ô thường được cấu hình với 4 kênh HS-SCCH hoạt động đồng thời và UE cũng thường được hỗ trợ giám sát đồng thời 4 kênh HS-SCCH.
Kênh HS-SCCH được trải phổ với hệ số SF = 128 và có cấu trúc mỗi khung con có độ dài 2ms. Một khung con HS-SCCH được chia thành 3 khe có độ dài mỗi khe là 40 bit (tốc độ kênh HS-SCCH là 60Kbps).
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 30
Hình 2.14 Cấu trúc khung con HS-SCCH
Các trường thông tin của gói HS-SCCH mang nội dung báo hiệu điều khiển khác nhau. Tuỳ thuộc vào tuần tự sử dụng tại đầu thu, mà chúng được sắp xếp lên gói HS- SCCH theo thứ tự trước sau. Các thông tin cần cho mục đích giải trải phổ và giải điều chế phải cung cấp cho UE phải đến trước khi các gói tin HS-PDSCH đến, nên chúng phải được xếp ở đầu của gói tin. Trong khi các thông tin về kích thước gói và thông tin HARQ liên quan cần thiết cho quá trình giải mã và kết hợp chỉ được sử dụng khi UE nhận xong khối dữ liệu HS-DSCH trong 2ms, nên chúng được xếp ở phần sau của gói tin HS-SCCH. Cấu trúc gói tin HS-SCCH được chia thành hai phần. Phần một gồm 8 bit và phần hai gồm 13 bit.
Phần một bao gồm các bit báo hiệu về mã định kênh HS-PDSCH và phương pháp điều chế được sử dụng cho kênh HS-DSCH.
Tập mã định kênh của HS-PDSCH ( 7 bit ): Xccs,1; Xccs,2; …; Xccs,7
Phương pháp điều chế kênh HS-DSCH là QPSK hay 16QAM ( 1 bit ): Xms,1 Phần hai bao gồm các thông tin về kích thước khối truyền tải trong TTI, chỉ số tiến trình HARQ phục vụ cho quá trình phát lại và kết hợp dữ liệu tại UE, phiên bản phần dư cũng như cờ chỉ thị dữ liệu mới và mã nhận dạng UE.
Thông tin kích thước của khối truyền tải trên HS-DSCH (6 bit): Xtbs,1; Xtbs,2; Xtbs,3;….; Xtbs,6
Chỉ số tiến trình HARQ gồm 3 bit : Xhap,1 ; Xhap,2 ; Xhap,3 Phiên bản phần dư gồm 3 bit: Xrv,1, Xrv,2, Xrv,3
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 31
Mã nhận dạng thiết bị người dùng - UE ID (User Equipment Identifier) dùng nhận dạng UE ( 16 bit ) : Xue,1; Xue,2; Xue,3;…… Xue,16
Trường chứa thông tin tập mã định kênh CCS áp dụng cho kênh HS-PDSCH gồm 7 bit: Xccs,1; Xccs,2; …; Xccs,7 được chia làm hai phần. Phần đầu gồm ba bit (có giá trị là A) báo hiệu cho UE biết tổng số mã định kênh được dùng cho kênh HS-PDSCH phát đến UE và phần còn lại gồm bốn bit (có giá trị là B) được dùng để chỉ ra vị trí bắt đầu của các mã được sử dụng trên cây mã định kênh. Có tất cả 15 mã định kênh có thể sử dụng đồng thời cho kênh HS-DSCH và vị trí của các mã theo thứ tự từ 1 đến 16.
HSPDA sử dụng hai phương pháp điều chế là QPSK và 16QAM, do đó với một bit Xms,1 có hai trạng thái có thể báo hiệu cho UE biết được phương pháp điều chế nào đã được sử dụng. Nếu kênh HS-DSCH được điều chế QPSK thì Xms,1 = 0 và nếu 16QAM được sử dụng thì Xms,1 = 1.
HSDPA sử dụng phương pháp thích ứng kênh truyền bằng mã hoá và điều chế thích ứng – AMC, vì vậy trong một TTI, khối dữ liệu được phát đi có kích thước khác nhau do chúng được điều chế và mã hoá bằng các phương pháp khác nhau. Ngoài ra, số mã định kênh được ấn định cho một UE xác định trong TTI đó cũng ảnh hưởng đến kích thước khối dữ liệu được phát. Các bit thông tin về kích thước khối truyền tải sẽ được phát trên kênh HS-PDSCH gồm 6 bit Xtbs,1; Xtbs,2; Xtbs,3;….; Xtbs,6. Việc biết trước kích thước khối dữ liệu sẽ được nhận giúp cho UE có thể cấu hình bộ đệm để lưu trữ và thực hiện quá trình HARQ nếu cần thiết.
Các thông tin về loại phần dư – RV (Redundancy Version) và thông số chòm mã điều chế 16QAM được mang trên ba bit Xrv,1, Xrv,2, Xrv,3. Với ba bit mã hoá, Xrv nhận 8 giá trị từ 0 đến 7. Các tham số loại phần dư được sử dụng để báo hiệu cho UE về cách thức đục lỗ tại đầu ra của bộ mã hoá Turbo. Các thông số này cần thiết cho quá trình giải mã Turbo và kết hợp dữ liệu của HARQ.
Cờ chỉ thị dữ liệu mới được dùng để báo cho UE biết khối dữ liệu sắp được phát trên kênh HS-PDSCH là dữ liệu mới hay là dữ liệu được phát lại sau khi Nút B nhận được NACK. Cờ chỉ thị dữ liệu được sử dụng với một bit Xnd,1. Nếu là dữ liệu là mới thì trạng thái của bit Xnd,1 sẽ thay đổi từ 0 sang 1 (hoặc ngược lại); và nếu dữ liệu được phát lại, bit Xnd,1 sẽ giữ nguyên trạng thái của nó trong với khung HS-SCCH mà UE nhận trước đó.
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 32
Các gói tin HS-SCCH cần phải được nhận với độ chính xác cao tại đầu thu vì nó quyết định đến khả năng giải mã thành công các gói tin HS-DSCH. Do đó công suất phát kênh HS-SCCH phải đủ lớn để đảm bảo các gói tin HS-SCCH được nhận một cách chính xác. Tuy nhiên, công suất phát HS-SCCH cũng không được quá lớn nhằm tránh gây nhiễu giữa các ô lân cận. Do đó, cần có cơ chế điều khiển công suất cho kênh HS-SCCH trong mỗi TTI sau cho khung HS-SCCH được phát thành công đến UE mà vẫn đảm bảo không làm tăng nhiễu trong hệ thống. Hình 2.15 minh hoạ công suất phát kênh HS-SCCH cho mỗi UE ở các vị trí khác nhau trong ô. Người dùng thứ nhất giả sử đang đứng tại biên của ô nên kênh HS-SCCH phát trong TTI dành cho UE1 được phát với công suất lớn trong khi người dùng thứ ba ở gần trạm gốc nhất nên kênh HS-HS-SCCH lúc đó được phát với công suất nhỏ hơn. Đồng thời, ta còn thấy rõ sự khác biệt về công suất giữa kênh HS-SCCH và kênh HS-DSCH. Đối với kênh HS-DSCH, công suất phát được giữ cố định do có chế thích ứng kênh truyền của HSDPA không thực hiện điều khiển công suất mà thực hiện điều khiển tốc độ.
Hình 2.15 Điều khiển công suất phát kênhHS-SCCH
Các tiêu chuẩn của 3GPP không qui định các cơ chế cho việc điều khiển công suất kênh HS-SCCH. Do dó, các thuật toán điều khiển công suất có thể được thiết kế bởi các nhà sản xuất. Điều khiển công suất kênh HS-SCCH có thể dựa vào bản tin CQI hoặc dựa vào công suất phát kênh DPCCH. Công suất phát kênh HS- SCCH có thể được điều chỉnh như là một hàm của các bản tin CQI nhận về từ UE. Điều này có thể được thực hiện bằng cách thiết lập tại Nút B một tập các giá trị công suất phát cho kênh HS-SCCH tương ứng với mỗi giá trị CQI. Dựa vào bản tin CQI nhận về trong gói HS-DPCCH trước đó mà Nút B xác định mức công suất phát thích hợp cho kênh HS-SCCH trong TTI tiếp theo. Thông tin thứ hai có thể
Đồ án tốt nghiệp Chương II Công nghệ HSDPA
Trần Văn Hiếu – D07VT2 33
được dùng để điều khiển công suất phát kênh HS-SCCH là công suất phát kênh DPCCH ở đường xuống. Các kênh DPCCH được điều khiển công suất vòng kín nên có thể thiết lập công suất phát cho kênh HS-SCCH dựa theo công suất phát của kênh DPCCH.
Hình 2.16 Sơ đồ giải thuật điều khiển công suất kênh HS-SCCH
Quá trình thiết lập công suất phát cho kênh HS-SCCH dựa vào các chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI có thể được xem như quá trình điều khiển công suất vòng trong. Ngoài ra, có thể thực hiện thêm quá trình điều khiển công suất vòng ngoài để điều chỉnh quan hệ giữa công suất phát kênh HS-SCCH với các chỉ số CQI. Điều chỉnh công suất vòng ngoài được thực hiện nhờ vào các bản tin báo nhận ACK/NACK được gửi về từ UE. Dựa vào các bản tin báo nhận này, Nút B có thể tính được một cách tương đối xác lỗi khối – BLEP (Block Error Probability) của các khối dữ liệu gửi đến UE. Sau khi so sánh xác suất lỗi BLEP tính được với một xác suất BLEPchuẩn , Nút B có thể tiến hành điều chỉnh quan hệ giữa công suất phát kênh HS-SCCH với các giá trị CQI sao cho xác suất lỗi BLEP nhận được gần với xác suất BLEPchuẩn nhất.
2.2.2.2.2.Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH)
Các thông tin điều khiển đường lên được sử dụng nhằm mục đích phục vụ cho hoạt động của cơ chế HARQ cũng như cung cấp cho Nút B thông tin điều kiện kênh truyền. Các thông tin điều khiển này được mang trên kênh HS-DPCCH. Kênh HS- DPCCH được trải phổ với SF = 256 và được phát song song với các kênh đường lên khác của WCDMA R99. Với hệ số trải phổ SF = 256, kênh HS-DPCCH