Một trong số các chi phí khai thác đáng kể đối với nhiều nhà khai thác WCDMA là truyền dẫn Iub giữa RNC và các nút B, nhất là khi sử dụng các đường E1/T1 thuê riêng. Phần này sẽ cho thấy công nghệ HSDPA có thể cải thiện hiệu
suất truyền dẫn Iub và hỗ trợ giảm giá thành trên một bit truyền dẫn như thế nào so với WCDMA. Vì hiện nay phần lớn các nhà khai thác sử dụng truyền dẫn ATM trên Iub, vì thế đối với các phấn tích dưới đây ta sẽ giả thiết truyền dẫn ATM mặc dù các đặc tả 3GPP cũng hỗ trợ truyền dẫn dựa trên giao thức IP. Sự cải thiện hiệu suất Iub đối với HSDPA xuất phát từ các nhân tố sau:
√ Chia sẻ động nhanh băng thông Iub HSDPA được ấn định cho các người sử dụng HSDPA tích cực. Điều này đạt được nhờ điều khiển luồng nhanh của MAC-hs. Đối với R3, băng thông Iub thường được ấn định riêng cho từng người sử dụng, vì thế rất khó chia sẻ động dung lượng thừa trong các giai đoạn tích cực thấp, chẳng hạn trong các thời gian đọc các ứng dụng duyệt web
√ HSDPA cho phép nhớ đệm số liệu trong nut B khi xẩy ra truyền dẫn tốc độ số liệu đỉnh cao trên giao diện vô tuyến mà không cần băng thông Iub cao. Điều này cũng có nghĩa là các khỏang thời gian nghẽn Iub ngắn không dẫn đến dung lượng giao diện vô tuyến HSDPA không được sử dụng
√ HSDPA không cần chuyển giao mềm, vì thế số liệu phát dến một người sử dụng HSDPA sẽ chỉ truyền dẫn trên một Iub. WCDMA R3 sử dụng chuyển giao mềm trong đó cần nhiều liên kết Iub cho các người sử dụng trong chuyển giao mềm. Chẳng hạn, các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng trung bình một R3 UE nhận số liệu từ 1,4 ô.
Với giả thiết sử dụng mô hình lưu lượng duyệt web TCP vòng kín và môi trường ô vĩ mô ba đoạn ô, báo cáo từ các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất Iub của HSDPA được cải thiên 2 lần so với WCDMA. Đây là một cải thiện đáng kể, vì nó có nghĩa là số bit phát đi của các người sử dụng trên cùng một Iub tăng gấp đôi trong trường hợp HSDPA so với WCDMA R3. Để xem xét kỹ hơn vấn đề định cỡ HSDPA, hình 7.25 minh họa các sơ đồ mô phỏng từ phần 7.7.3.4 cho trường hợp có các quy định băng thông Iub và điều khiển luồng MAC-hs.
Hình 7.25. Sơ đồ mô phỏng với băng thông Iub có hạn và điều khiển luồng MAC-hs
Lưu ý rằng bộ điều khiển MAC-hs hoạt động bằng cách phát đi các chứng chỉ (credit) đến RNC cho từng luồng MAC-d tùy thuộc và khối lượng số liệu được nhớ đệm trong nút B. Số chứng chỉ biểu thị số lượng đơn vị số liệu tải tin (PDU) mà RNC được phép giửi đi trên giao diện Iub trong khoảng 10ms tiếp theo cuả HS-DSCH. Lưu ý rằng độ dài khung đối với giao thức khung của HS-DSCH là 10 ms. Nếu xẩy ra nghẽn Iub vì thế RNC không thể phát tất cả các chứng chỉ thu được, một sơ đồ điều khiển nghẽn đơn giản đựơc áp dụng trong đó luồng PDU giảm đồng đều cho tất cả các luồng HSDPA MAC-d tích cực.
Việc cân đối giữa hiệu suất giao diện vô tuyến và Iub được thể hiện trên hình 7.26. Từ phàn 7.7.3.4, ta thấy rằng nếu bang thông Iub không bị giới hạn, dung lượng ô HSDPA trung bình vào khoảng 900 kbps tương ứng với 2,3 Mbps trên nút B có ba đoạn ô với giả thiết sử dụng năm mã HS-PDSCH và 7W cho truyền dẫn HSDPA. Công suất cũng như các mã định kênh còn lại sẽ được sử dụng cho truyền dẫn R3 đồng thời. Các kết quả trên hình 7.26 cho thấy rằng để đạt được toàn bộ 100 % dung lượng vô tuyền HSDPA, băng thông Iub HSDPA phải bằng 3,8Mbps. Băng thông Iub 3,2Mbps đủ để đạt được 95% dung lượng vô tuyến HSDPA khả dụng. Đinh cỡ băng thông Iub như vậy sẽ vượt quá 20% cần thiết. Việc định cỡ quá khổ 20% này là để phòng nghừa các thay đổi tức thời trong dung lượng vô tuyến HSDPA, chẳng hạn khi các người sử dụng ở gần nút B phục vụ hay xẩy ra các hay đổi trong mô hình lưu lượng. Lưu ý rằng dự trữ 20% này sẽ giảm khi số người sử dụng tích cực HSDAP trên trạm tăng trong các trạm dung lượng cao. Trong trường hợp này dung lượng đỉnh của trạm sẽ gần với dung lương trung bình của trạm do đóng gói của số người sư dụng trong các tình trạng cực đoan sẽ ít hơn.
Hình 7.26. Cân đối giữa hiệu suất vô tuyến HSDPA và Iub 7.5. DUNG LƯỢNG VÀ GIÁ THÀNH CHUYỂN SỐ LIỆU
Các chương trước đã trình bày tổng thông lương ô đo bằng Mbps, chương này sẽ ước tính dung lượng số liệu khả dụng đo bằng Gigabyte tải xuống cho một thuê bao trong một tháng.
Dung lượng số liệu phụ thuộc vảo một số giả thiết bổ sung cho mô hình lưu lượng: mức độ cụm của truyền dẫn số liệu và cách thức phân bố số liệu trong một ngày. Lưu lượng thoại có xu hướng ít thay đổi trong một ngày và giờ cao điểm có thể chuyển chưa đến 10% tổng lưu lượng ngày. Phần số liệu này rõ ràng phụ thuộc vào ứng dụng được sử dụng nhưng cũng có thể mang tính cụm hơn nhất là HSDPA đựơc sử dụng cho truy nhập không dây cố định từ các gia đình. Trong các tính toán dưới đây ta giả thiết rằng giờ cao điểm mang 20% lưu lượng ngày. Dưới đây là các giả thiết bổ sung được sử dụng trong tính toán lưu lượng HSDPA:
√ Cấu hình HSDPA 2+2+2
√ Hiệu suất phổ là 2Mbps/ô với sử dụng đầu cuối có một anten và máy thu RAKE (hình 7.14)
√ Hiệu suất phổ bằng 4Mbps/ô với sử dụng đầu cuối có phân tập anten và máy thu cân bằng (hình 7.38)
√ Mức độ sử dụng giờ cao điểm là 80%
√ Phần lưu lượng giờ cao điểm bằng 20% lưu lượng ngày
√ Trung bình 8 sử dụng tích cực
Các giả hiết trên được áp dụng để tính toán tổng lưu lượng đo bằng GB trên tháng như sau:
Dung lượng [GB/tháng]= 2 3600 (2 2 2) . .80%.30 8 Mbps s + + ngµy giê
20% phÇn giê cao ®iÓm
(7.11)
Tổng lưu lượng được chuyển là 650 GB đối với đầu cuối HSDPA RAKE đơn và 1300 GB đối với đàu cuối có hai bộ cân bằng trong một tháng trên một trạm. Hình 7.27 minh họa dung lượng HSDPA cực đại trên một thuê bao trong một tháng. Các kết quả này cho thấy rằng dung lượng 2-4GB/thuê bao/trên tháng khả dụng cho 300 thuê bao băng rộng trên trạm.
Hình 7.27. Dung lượng số liệu trên một thuê bao trong một tháng
Ngoài dung lượng, ta cần xét một vấn đề nữa là giá thành chuyển số liệu đối với các số liệu có thể tích lớn. Dưới đây ta sẽ xét một cách đơn giản giá thành này với coi rằng chi phí đầu tư thiết bị chỉ có thể giảm trên 6 năm. Giá thành chuyển 1 GB được thể hiện như một hàm phụ thuộc vào giá tiền thiết bị. Giá thiết bị trên hình 7.28 đựơc thể hiện trên một đọan ô trên một sóng mang trong đó gồm: trạm gốc, RNC và các phần tử mạng lõi. Công thức dưới đây đựơc sử dụng để tính toán giá thành: 3 $ 10 ost 2 GB 360 365 6 8 TRX price C Mbps − × = × × × n¨m (7.12)
Trong đó TRX là giá thiết bị. Nếu giá thiết bị là giá thiết bị là 16 000 $ trên đoạn ô trên sóng mang, thì giá cho HSDPA vào khoảng 2$/MB. Có thể coi đây là giá thấp nhất khi bổ sung thêm dung lượng mới vào hệ thống. Trong thực tế không thể đạt đựơc mức độ sử dụng giờ cao điểm là 80% trong tất cả các ô vì phải thiết kế mạng cho cả các vùng trong đó mật độ lưu lương không cao. Nếu mức độ sử dụng mạng giờ cao điểm là 40% thay vì 80% thì giá thành chuyển số liệu tăng gấp đôi so với hình 7.28.
Các kết qua này không xét đến các nhân tố giá thành khác như giá thành truyền dẫn Iub, giá thành khai thác, tiếp thị và thu hút khách hàng.
Hình 7.28. Giá thành chuyển 1GB số liệu 7.6. THỜI GIAN TRUYỀN VÒNG
Trong khi tốc độ số liệu đỉnh thường đơực sử dụng cho các hệ thống vô tuyến trong phòng thí nghiệm thì một mình nó không đủ để đánh giá hiệu năng vô tuyến từ quan điểm ứng dụng. Tốc độ số liệu thuần túy chỉ thích hợp khi ta xét thời gian tải xuống của một file lớn, nhưng có rất nhiều ứng dụng chỉ cần tốc độ số liệu thấp, chẳng hạn vào khoảng 10-30kbps, nhưng thời gian trễ vòng lại rất thấp. Các ứng dụng này bao gồm VoIP, ấn để nói và trò chơi thời gian thực. Ngoài ra các ứng dụng như duyệt web cũng hưởng lợi từ trễ vòng thấp. Phần này sẽ trình bày trễ vòng thông thường của mạng WCDMA/HSDPA
Trễ vòng có thể được đo như là thời gian truyền vòng (RTT: Round Trip Time), trong IP nó được định nghĩa là thời gian để một gói IP truyền từ đầu cuối qua tất cả các phần tử mạng đến server ứng dụng và trở về đầu cuối. Nếu kích thước gói IP nhỏ, tốc độ số liệu không ảnh hưởng lên trễ, nhưng khi này trễ chỉ được định nghiã bởi cấu trúc khung hệ thống và bởi xử lý của phần tử cũng như trễ của các giao diện. RTT được định nghĩa bằng hình ảnh trên hình 7.29.
Hình 7.29. Định nghĩa thời gian truyền vòng (RTT)
Để ước tính RTT, ta sử dụng các giả thiết sau:
√ Trễ UE là 10-25ms
√ Trễ nút B là 10-15ms
√ Trễ giao diện vô tuyến bao gồm nhớ đệm đường lên 43-53ms đối với R3, 20ms đối với HSDPA và 10ms đối với HSUPA. Tốc độ số liệu Đường lên/đường xuống của WCDMA R3 là 64/64kbps với TTI là 20ms, còn 128/384kbps với TTI là 10ms. HSUPA sử dụng TTI bằng 2ms.
√ Trễ Iub 20-40ms cho R3 và 10ms cho HSDPA/HSUPA
√ Trễ RNC 20ms cho R3 và 10ms cho HSDPA/HSUPA
√ Trễ Iu cộng trễ mạng lõi 3ms.
Quá trình cải thiện RTT được minh họa trên hình 7.30. RTT đối với R3 kỳ vọng 110-150ms, đối với HSDPA 70ms và đối với HSUPA<50ms. Trễ chủ yếu gây ra bởi các phần tử mạng vô tuyến và các giao diện trong khi trễ mạng lõi rất nhỏ. RTT lớp MAC với HSDPA+HSUPA rất nhỏ vào khoảng 10ms và tổng RTT chủ yếu phụ thuộc vào trễ xử lý trong các phần tử mạng và trong UE.
Hình 7.30. Ước tính quá trình cải thiện RTT
Thí dụ về các kết quả đo trễ vòng sử dụng cả WCDMA R3 và HSDPA được cho trên hình 7.31. HSDPA RTT nằm trong khoảng 70-85ms trong mạng vô tuyến được đo này, còn WCDMA RTT có trung bình là 130ms, nhưng có các giá trị khá lớn gây ra giữa các phát lại RLC.
Hình 7.31. Thí dụ về các kết quả đo WCDMA RTT và HSDPA RTT 7.7. Các kết quả đo HSDPA
Phần này trước hết trình bày một số kết quả đo trong phòng thí nghiêm và các kết quả đo kiểm trên xe ngoài trời. Đo được thực hiện bằng cách sử dụng đầu cuối loại 12 với tốc dộ bit L1 cực đại 1,8Mbps và tốc độ bit RLC L2 cực đại 1,6Mbps.
Hình 7.32 minh họa hoạt động của thích ứng đường truyền HS-DSCH. Phân bô kích thước khối truyền tải phụ thuộc vào các mức Ec/I0 của kênh hoa tiêu chung (CPICH) đựơc trình bày trên hình này. Các mức Ec/I0 này được ghi lại khi công suất HSDPA tắt. Với Ec/N0 trong khoảng -3 và -6dB, kích thước khối truyền tải lớn nhất 3440 bit được sử dụng với 94-99% thời gian. Khi giá trị Ec/N0 giảm xuống -9dB kích thước khối truyền tải thông thường nhất giảm từ 3440 xuống 2404 để đảm bảo mã hóa kênh nhiều hơn.
Khi Ec/N0 giảm tiếp đến -12dB, kích thước khối truyền tải phổ biến nhất giảm xuống 699 bit.
Hình. 7.32. Kích thước của các khối truyền tải được chọn theo các mức CPICH Ec/N0 khác nhau
Hình 7.33 minh họa hiệu năng của điều khiển công suất HS-SCCH. Mạng vô tuyến được lập cấu hình sao cho tổng công suất kết hợp cho HS-SCCH và HS- DSCH là10W. Điều khiển công suất dựa trên chất lượng được áp dụng cho HS- SCCH. Tại mức Ec/N0 tốt bằng -3dB, công suất cần thiết cho HS-SCCH rất thấp (chỉ 80mW), vì thế giảm tiểu chi phí cho nhiễu. Khi Ec/N0 thấp, điều khiển công suất tăng mức công suất để đảm bảo chất lượng báo hiệu tin cậy. Với Ec/N0 bằng -6, -9 và -12dB, công suất HS-SCCH là 140mW, 530mW và 1130mW. Ec/N0 biên ô thường vảo khoảng -9dB tương ứng với công suất yêu cầu cho HS-DSCH là 0,5W. Kết qủa đo này phù hợp với các mô phỏng HS-SCCH trước đây trong chương này.
Các kết quả đo điều khiển công suất HS-SCCH cho thấy trước hết cần điều khiển công suất HS-SCCH, thứ hai điều khiển công suất cần được tối ưu hóa để tối thiểu hóa nhiễu từ truyền dẫn HS-SCCH, đặc biệt là đối với trường hợp khi nhiều HS-SCCH được sử dụng cùng với ghép kênh theo mã.
Hình 7.33. Điều khiển công suất cho HS-SCCH theo các mức CPICH Ec/N0
khác nhau
Hình 7.34 trình bày các kết quả đo khác nhau cho một đến bốn người sử dụng HSDPA tích cực. Các kết quả này nhận được trong các điều kiện kênh tốt với sử dụng bộ lập biểu quay vòng. Vì thế các người sử dụng nhận được tốc độ bit như nhau. Tổng thông lượng ô đối với tải xuống file FTP là không đổi (1,55Mbps) không phụ thuộc vào số người sử dụng. Thông lượng người sử dụng bằng tổng thông lượng ô chia cho số người sử dụng, chẳng hạn với bốn người sử dụng, mỗi người sẽ nhận được 380kbps.
Các hình dưới đây thể hiện hiệu năng nhận được từ các kết quả đo kiểm ngoài trời trên xe. Môi trường đo là một ô vĩ mô lớn trong thành phố có tổn hao đường truyền cực đại lớn hơn 160dB và các giá trị RSCP thấp nhất nhỏ hơn -115dBm. Phân bố RSCP được cho trên hình 7.35. Giá trị trung bình RSCP là -87dBm.
Ấn định công suất HSDPA là 6W và tổng công suất trạm gốc là 10W trong thời gian đo. Ứng dụng được đo là tải xuống FTP file. Phân bố tốc độ bit đựơc cho trên hình 7.36. Tốc độ bit cực đại là 1,5-1,6Mbps, tốc độ này bị giới hạn bởi tốc độ bit RLC 1,6Mbps và loại đầu cuối di động đo.
Hình 7.35. Phân bố công suất thu hoa tiêu RSCP trong đo kiểm trên xe
Hình 7.36. Phân bố tốc độ bit mức ứng dụng trong các đo kiểm trên xe
Các tốc độ bit được so sánh với các kết quả mô phỏng theo hai cách. Cách thứ nhất sử dụng các giá trị RSCP và Ec/N0 được ghi nhận để tính toán HS-DSCH
SINR. SINR có thể được ước tính dựa trên các kết quả mô phỏng mức đường truyền trong bộ mô phỏng hệ thống. So sánh khác được thực hiện bằng cách sử dụng môi trường ô vĩ mô tiêu chuẩn trong bộ mô phỏng hệ thống. Tổn hao đừơng truyền được giả thiết bằng 160dB trong mô phỏng này. Tốc độ bit từ hai phương pháp mô phỏng này được so sánh với các kết quả đo trên hình 7.37.
Các tốc độ bit trung tuyến khá giống nhau tại 1,0-1,1Mbps cả trong trường hợp mô phỏng và đo tại hiện trường. Có nhìều mẫu đo hơn trong vùng thông lượng thấp so với mô phỏng. Có thể giải thích sự khác nhau này là có một số mẫu có mức tín hiệu rất thấp trong khi đo (RSCP thấp hơn -120dBm). Tuy nhiên vẫn đảm bảo 90% mẫu đo có ít nhất là 500bps, và kết quả này tốt hơn tốc độ bit cao nhất của WCDMA R3 là 384kbps.
Hình 7. 37. So sánh phân bố tích lũy của tốc độ bit mức ứng dụng các kết quả