(Tiểu luận) bài tập lớn truyền dẫn vô tuyến số đề tài tìm hiểu công nghệ hspa và ứng dụng công nghệ hspa trên mạng di động 3g

Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắttiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bịthông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

Đề tài: “

HSPA TRÊN MẠNG DI ĐỘNG 3G

”

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tài Văn MSV : 191413541 Lớp : KTVT- 01

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

Chương I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 3

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) 3

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) 4

1.5 Tổng quan về HSPA 4

1.5.1 Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA) 6

1.5.2 Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA) 7

Chương II:CÔNG NGHỆ HSPA 8

2.1 Kiến trúc mạng 8

2.1.1 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3 8

2.1.2 Kiến trúc WCDMA/UMTS R4 8

2.1.3 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6 9

2.1.4 Kiến trúc HSPA/WCDMA R7 10

2.2 Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) 10

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của HSDPA 10

2.2.2 Giao diện vô tuyến của HSDPA 15

2.2.2.1 Kiến trúc giao thức của HSDPA 15

2.2.2.2 Cấu trúc kênh HSDPA 20

2.2.2.2.1 Kênh HS-SCCH 20

2.2.2.2.2 Kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH) 23

2.2.2.2.3 Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH 26

2.2.3 Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA 29

2.2.3.1 Lập biểu phụ thuộc kênh 29

2.2.4 Điều chế và mã hóa thích ứng AMC 31

2.2.5 HARQ với kết hợp mềm 32

2.3 Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA) 34

2.3.1 Các kênh vật lý và kênh truyền tải E-DCH 34

2.3.2 Các kỹ thuật sử dụng trong HSUPA 35

2.3.2.1 MAC-e và xử lý lớp vật lý 35

2.3.2.2 Lập biểu 38

2.3.2.3 HARQ với kết hợp mềm 39

Chương III: Hiện trạng triển khai HSPA tại Việt Nam 42

3.1 Hiện trạng triển khai HSPA tại Việt Nam 42

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông pháttriển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắttiền cho một số ít người đi xe, đến nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bịthông tin di động thể hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụđòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng kể cả các chức năng camera, MP3 vàPDA Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày các trở nên phổ biến này, nhu cầu 3Gcũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết

Một trong những công nghệ được coi là bước đệm để hướng tới 4G chính là côngnghệ 3,5G HSPA với hai công nghệ nền tảng HSDPA (High Speech Downlink PacketAccess: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và HSUPA (High Speech UplinkPacket Access: truy nhập gói đường lên tốc độ cao) HSDPA là một chuẩn tăng cườngcủa 3GPP-3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSKtrong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA HSDPA hoạt động trên cơ sở kết hợpghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử dụng thích ứng đườngtruyền Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để đảm bảo tốc độ truyền dẫn sốliệu Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA(High Speech Uplink Packet Access)

Trong khuôn khổ bài tập lớn này, em đi sâu tìm hiểu cấu trúc của công nghệ HSPA

và triển khai HSPA tại Việt Nam Nội dung bài tập lớn gồm 3 chương:

- Chương I: Tổng quan về các hệ thống thông tin di động

- Chương II: Công nghệ HSPA

- Chương III: Triển khai HSPA tại Việt Nam

Chương I TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệutương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vàonăm 1979

Hình 1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin di độngHầu hết hệ thống đều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âmthanh Với các hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Một sốchuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac Nhữngđiểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năngchuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…

do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)

Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải.Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứnhất Một kênh tần số thì đồng thời được chia ra cho nhiều người dùng (bởi việc chiatheo mã hoặc chia theo thời gian) Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi khu vực phục

vụ thì đựợc bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những tếbào đã làm tăng dung lượng của hệ thống xa hơn nữa

Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu(GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân ChiaTheo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM là chuẩn đạt được thànhcông nhất và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.

GSM là mạng điện thoại di động trong đó các máy điện thoại di động kết nối vớimạng bằng cách tìm kiếm, kết nối với các cell gần nó nhất Các mạng di động GSMhoạt động trên 4 băng tần: 850, 900, 1800 và 1900 Mhz Hầu hết thì hoạt động ở băng

900 Mhz và 1800 Mhz, chỉ có vài nước ở Châu Mỹ là sử dụng băng 850 Mhz và 1900Mhz do băng 900 Mhz và 1800 Mhz ở nơi này đã bị sử dụng trước

GSM mới chỉ cung cấp các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truynhập Internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2,5G:

GSM HSCD GPRS EDGE

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International MobileTelecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợiđem lại bởi hệ thống 3G là:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, …)

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,…)

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, …)

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cậpInternet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực

tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ cónhững người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, cònkhi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps Các hệthống 3G điển hình là:

Hình 1.2 Lộ trình phát triển của HSPA theo 3GPPHSPA (High Speed Packet Access) truy nhập gói tốc độ cao bao gồm truy nhập góitốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Downlink Packet Access) được 3GPPchuẩn hóa trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002 và truy nhập góiđường lên tốc độ cao (HSUPA: High Speed Uplink Packet Access) được 3GPP chuẩnhóa trong R6 vào tháng 12 năm 2004 Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vàothương mại năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại năm 2007.

Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, và đạt đến trên 14,4Mbps năm 2008 Trong giai đoạnđầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps và đạt đến 4-5,7 Mbps vào năm 2008 Phiên bảnHSPA+ đang tiếp tục được hoàn thiện và tốc độ tiếp tục được cải thiện cao hơn

HSPA được triển khai trên WCDMA trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng mộtsóng mang khác để đạt được dung lượng cao hơn

Mô hình triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang (f1) vớiWCDMA như hình 1.3

HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA Để nâng cấp WCDMA lênHSPA chỉ cần bổ xung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC và RNC

Hình 1.3 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với

WCDMA (f1)Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ phi thời gian thực, tuy nhiên R6 vàR7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác Khác vớiWCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384kbps cho tốc độ cựcđại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện là khác nhau hình 1.4 minh họađiều này Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên hai thiết bị người sử dụng UE (UE: UserEquipment) tại thiết bị người sử dụng chỉ xảy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyềntốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps Để đảm bảo truyền lưu lượngmang tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyềnlưu lượng này trên hạ tầng mạng

Hình 1.4 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện khác nhau

1.4.1 Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA)

Khái niệm HSDPA dựa trên một kênh truyền tải mới, kênh chia sẻ đường xuốngtốc độ cao HS-DSCH, kênh HS-DSCH được coi là sự phát triển của kênh DSCH trongWCDMA Kênh HS-DSCH được xếp lên, gộp chung trên các kênh vật lý để chia sẻgiữa giữa tất cả người dùng trong một ghép kênh thời gian

Mục tiêu của HSDPA là mở rộng giao diện vô tuyến của WCDMA, tăng cườnghiệu năng và dung lượng của WCDMA Để đạt được điều này, HSPDA sử dụng một

số kỹ thuật như: Điều chế bậc cao, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ với kết hợpmềm

Kiến trúc HSDPA có kiến trúc như ở hình 1.5 Mỗi UE sử dụng HSDPA sẽ thu truyền dẫn HS-DSCH từ một 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 lênđược 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

1.4.2.Truy nhập gói tốc độ cao đường lên (HSUPA)

HSUPA được đưa vào WCDMA R6 HSUPA đảm bảo cải thiện dung lượng vàhiệu năng đường lên: Tốc độ cao hơn, trễ giảm và dung lượng hệ thống tăng Cốt lõicủa HSUPA cũng sử dung hai công nghệ cơ sở như HSDPA là lập biểu nhanh vàHARQ kết hợp mềm Cũng giống như HSDPA, HSUPA sử dụng khoảng thời gianngắn 2ms cho TTI đường lên Các tăng cường này được thực hiện trong WCDMAThông qua một kênh truyền tải mới là E-DCH (Enhanced Deicated Channel: kênhriêng tăng cường)

Giống như HSDPA một thực thể MAC mới (MAC-e) được đưa vào MS và vàonút B Trong nút B, MAC-e chịu trách nhiệm truyền tải các phát lại HARQ và lậpbiểu, còn trong UE MAC-e chịu trách nhiệm lựa chọn tốc độ số liệu trong các giới hạn

do bộ lập biểu trong MAC-e của nút B đặt ra

Hình 1.6 Kiến trúc HSUPA được lập cấu hình E-DCH

Chương II CÔNG NGHỆ HSPA

2.1.Kiến trúc mạng

HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+ Do đó

để thấy được kiến trúc mạng HSPA ta xét cấu trúc của nó trong các phát hành củaWCDMA

2.1.1.Kiến trúc WCDMA/UMTS R3

WCDMA/UMTS R3 là phiên bản đầu tiên của UMTS, nó hỗ trợ cả kết nốichuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói Trong miền CS tốc độ bít thông tin lênđến 384 Mbps và trong miền PS là 2Mbps Đảm bảo yêu cầu roamming giữa mạng2G và 3G Sử dụng lại đa phần mạng lõi của hệ thống GSM/GPRS hiện tại, giảmthiểu chi phí đầu tư cũng chính là tiền đề cho việc đưa ra những dịch vụ tiên tiếnvới giá thành rẻ đảm bảo khả năng cạnh tranh trên thị trường tốt và có thể thực hiệntriển khai nhanh chóng Có khả năng cung cấp dịch vụ truyền thống của mạng 2Gcũng như các dịch vụ tiên tiến gồm: điện thoại có hình (Hội nghị video), âm thanhchất lượng cao và tốc độ truyền cao tại đầu cuối Hình 2.1 mô tả cấu trúc mạngUMTS theo Phiên bản R3

Hình 2.1 Kiến trúc WCDMA/UMTS R3

Hình 2.2 cho thấy kiến trúc cơ sở của 3G WCDMA R4 Sự khác nhau cơ bảngiữa R3 và R4 là ở chỗ khi này mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm.Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước,kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào

MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW: MediaGateway) MSC server chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý diđộng có ở một MSC tiêu chuẩn Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch

Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt

sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi, đó là lưu lượng thoại và số liệu được xử lýgiống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhậncuối cùng Trên hình 2.3 cho thấy chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cảphương tiện Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGWriêng

HSPA được biết đến với việc hỗ trợ đường xuống tốc độ cao HSDPA trong R5

và HSUPA trong R6 Công nghệ này dựa trên nền tảng kiến trúc mạng WCDMAnhằm tăng cường dung lượng mạng và giảm thời gian trễ đối với các dịch vụ tươngtác

Hình 2.3 Kiến trúc HSPA/WCDMA R5 và R6

2.1.4.Kiến trúc HSPA/WCDMA R7

Từ phát hành R7 trong kiến trúc HSPA/WCDMA có một đường hầm trực tiếptrong mạng 3G để tối ưu hóa lưu lượng cho các dịch vụ không dây băng rộng,đường hầm trực tiếp này sẽ cung cấp một kênh dữ liệu trực tiếp từ RNC đến GGSNtrong R7, điều này giúp tăng topo mạng một cách linh hoạt và cải thiện độ trễ.Kiến trúc HSPA với một đường hầm trực tiếp có một số lợi ích:

- Tất cả các tài nguyên truyền dẫn đều được chia sẻ điều này làm giảm đáng

kể chi phí khi các yêu cầu về phần cứng của SGSN giảm

- Tất cả mặt phẳng truyền tải dữ liệu chỉ được điều khiển bởi GGSN và khônggắn với phân bố địa lý của các người sử dụng

- Khả năng mở rộng mặt phẳng người sử dụng: Khi lưu lượng dữ liệu người dùng tăng, tài nguyên truyền dẫn chỉ cần bổ xung vào GGSN

Hình 2.4 Kiến trúc HSPA/WCDMA với 1 đường hầm trực tiếp

2.2.Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA)

HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cáchkết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứngnhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B

2.2.1.Nguyên lý hoạt động của HSDPA

HSDPA sử dụng ba kênh vật lý mới bao gồm kênh điều khiển chia sẻ tốc độ caoHS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel), kênh vật lý điều khiển dành

riêng tốc độ cao HS-DPCCH (High Speed-Dedicated Physical Control Channel) vàkênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High Speed-PhysicalDownlink Shared Channel) Trong đó, kênh HS-SCCH là kênh điều khiển đườngxuống, kênh HS-DPCCH là kênh điều khiển đường lên và kênh HS-PDSCH làkênh mang số liệu chính được chia sẻ giữa các người dùng trên đường xuống.Kênh truyền tải HS-DSCH sẽ được lớp MAC sắp xếp lên kênh vật lý HS-PDSCHtrước khi được phát đến người dùng Ngoài ba kênh vật lý trên, HSDPA đòi hỏiphải có ít nhất một kết nối DCH (gồm có DPCCH và DPDCH) hoạt động songsong Nếu dịch vụ cung cấp cho UE chỉ bao gồm dịch vụ số liệu thì kênh DCHmang các thông tin báo hiệu Còn đối với trường hợp dịch vụ cho các UE có cácdịch vụ chuyển mạch kênh như thoại AMR hoặc thoại hình ảnh thì các dịch vụ này

sẽ được phụ vụ song song với HSDPA bằng các kênh DCH Ngoài ra, trong giaiđoạn đầu khi công nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao – HSUPA (HighSpeed-Uplink Packet Access) chưa được chuẩn hóa bởi 3GPP thì dữ liệu đường lêntrong HSDPA phải được truyền qua kênh DCH

HSDPA sử dụng kênh chia sẻ đường xuống HS-DSCH cho các người dùngHSDPA trong ô Khác với các kênh trong WCDMA, kênh HS-DSCH được trải phổvới hệ số trải phổ cố định là SF = 16 (tức là có 16 mã định kênh HS-PDSCH),trong đó các mã từ 1 đến 15 được sử dụng cho kênh HS-DSCH, mã còn lại đượcdùng cho mục đích khác như báo hiệu điều khiển hoặc phục vụ cho các dịch vụ đapương tiện MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Services)

Hình 2.5 Các kênh cần cho hoạt động HSDPA trong R5

Các kênh HS-DSCH được chia sẻ cho từng người dùng trong các khoảng thờigian TTI, có thể là trong một TTI hoặc một vài TTI Một người dùng có thể đượccấp phát một vài mã định kênh hoặc tất cả 15 mã trong một hoặc một vài TTI liêntiếp Do đó có thể xem hoạt động của HSDPA dựa trên nguyên lý ghép kênh phânchia theo mã – CDM (Code Division Multiplexing) kết hợp với ghép kênh phânchia theo thời gian – TDM (Time Division Multiplexing) Việc cấp phát động nàyđược thực hiện nhờ bộ lập biểu tại Nút B Với TTI = 2ms, đảm bảo thời gian trễtrong HSDPA là thấp hơn rất nhiều so với WCDMA hiện tại (TTI = 10ms) Bên

cạnh đó, việc giảm TTI xuống còn 2ms giúp cho việc lập biểu ấn định kênh chomỗi người dùng cũng như lựa chọn phương pháp mã hóa và điều chế trở nên linhhoạt hơn rất nhiều so với sự thay đổi nhanh của chất lượng kênh truyền

Hoạt động của HSDPA có thể được xem như một quá trình phân tập đa người sửdụng Nguyên lý của việc phân tập đa người sử dụng có thể được minh họa tronghình 2.7 Trong một ô phục vụ có nhiều người dùng, mỗi người dùng có một kênhtruyền riêng với những điều kiện về trễ truyền dẫn và ảnh hưởng Fading khác nhau

Do đó, chất lượng kênh truyền của mỗi người dùng biến thiên theo từng thời điểm.Hoạt động cấp phát tài nguyên mạng của bộ lập biểu tại Nút B dựa trên sự thay đổicủa chất lượng kênh truyền đến từng người dùng Bằng các thông tin phản hồi từcác người dùng cụ thể là các chỉ thị chất lượng kênh – CQI (Channel QuanlityIndicator) mà bộ lập biểu sẽ quyết định tài nguyên sẽ được cấp phát cho ngườidùng nào trong từng TTI Các bản tin CQI được các thiết bị người dùng UE gửiđịnh kì về Nút B

Hình 2.6 Cấu trúc thời gian và mã HS-DSCH

Do đó, tại Nút B luôn có sự đánh giá chính xác về chất lượng kênh truyền đếncác người dùng Rõ ràng ta thấy tài nguyên mạng được tận dụng tốt hơn do tínhngẫu nhiên của Fading ảnh hưởng đến các kênh truyền và thời điểm yêu cầu dịch

vụ từ các người dùng Một UE chỉ được cấp phát kênh khi chất lượng kênh truyềnđến UE đó là tốt và ngược lại khi chất lượng kênh xấu thì tài nguyên sẽ được cấpphát cho một UE có chất lượng kênh truyền tốt hơn

Hình 2.7 Nguyên lý phân tập đa người dùng trong HSDPA

Để cung cấp thông tin về chất lượng kênh cho Nút B, các thiết bị đầu cuối UEgửi các chỉ thị chất lượng kênh CQI trên kênh HS-DPCCH theo chu kì xác định.Ngoài ra, các kênh HS-DPCCH còn mang các bản tin báo nhận ACK/NACK đượcgửi về từ UE Hình bên dưới minh họa quá trình gửi các bản tin CQI vàACK/NACK trên kênh điều khiển đường lên HS-DPCCH theo chu kì là 10ms Khingười dùng không di chuyển, tức là kênh truyền không có sự thay đổi lớn, các bảntin phản hồi này có thể được thiết lập với chu kì dài hơn như 20ms, 40ms hoặcthậm chí 40ms

Các chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI còn được sử dụng cho quá trình điềuchế và mã hóa thích ứng - AMC của HSDPA Như đã phân tích ở trên, một khinhận được các bản tin CQI, Nút B sẽ nhận định được chính xác về chất lượng kênhtruyền đến từng người dùng Sự nhận định này không chỉ giúp cho Nút B quyếtđịnh dữ liệu được gửi đến người dùng nào mà còn giúp Nút B chọn được mộtphương pháp điều chế và mã hóa dữ liệu thích hợp với kênh truyền lúc đó Các chỉ

số CQI được qui định ở 32 mức cụ thể, trong đó mỗi giá trị CQI qui định mộtphương pháp điều chế và kích thước khối truyền tải tối đa trong một TTI mà UE cóthể nhận được với xác suất lỗi < 10% Hai phương pháp điều chế được sử dụngtrong HSDPA là QPSK và 16QAM Điều chế 16QAM được sử dụng khi kênhtruyền đạt chất lượng cao và QPSK được sử dụng trong trường kênh truyền kémhơn

Hình 2.8 Các gói tin HS-DPCCH được gửi định kỳ về Node B

ACK/NACK là các bản tin báo nhận được sử dụng trong thủ tục yêu cầu phátlại tự động lai – HARQ giữa UE và Nút B Khi một khối dữ liệu được gửi đến UEtrong một TTI, sau quá trình giải mã và kiểm tra CRC, nếu dữ liệu thu được làchính xác, bản tin ACK sẽ được gửi về từ UE để báo cho Nút B biết nó đang chờnhận khối dữ liệu tiếp theo Ngược lại, Nút B sẽ nhận được NACK nếu quá trìnhkiểm tra CRC thất bại và quá trình phát lại dữ liệu được thực hiện tại Nút B Kỹthuật yêu cầu phát lại tự động - ARQ (Automatic Repeat reQuest) đã được ứngdụng trong UMTS WCDMA và được tiếp tục phát triển trong HSDPA Nếu nhưtrước đây, phần dữ liệu bị lỗi sau khi kiểm tra CRC sẽ bị xóa đi trong khi chờ phátlại thì HARQ thực hiện kết hợp dữ liệu phát lại và dữ liệu bị lỗi trước đó Bằngcách kết hợp này, tỉ lệ giải mã thành công các gói tin cao hơn rất nhiều, do đó giảmyêu cầu phát lại đáng kể Kênh số liệu HS-PDSCH chỉ được sử dụng khi có dữ liệucần phát đến UE trong khi trên kênh HS-DPCCH các chỉ thị chất lượng kênh đượcgửi liên tục về Nút B

Trước khi một khối dữ liệu được phát đến một UE theo sự điều khiển của bộlập biểu tại Nút B, kênh điều khiển đường xuống HS-SCCH được sử dụng để thôngbáo cho UE biết là sắp có dữ được phát đến Gói tin báo hiệu cho mỗi khối dữ liệuđược phát đến một UE trong một TTI có độ dài là 2ms (bằng độ dài một TTI kênhHS-DSCH) Các gói tin báo hiệu cho các UE khác nhau được phân biệt bằng mãnhận dạng thiết bị đầu cuối – UE ID (User Equipment Identifier) Một khi UE nhậnđược UE ID trong trên kênh HS-SCCH, UE tiến hành lưu và giải mã phần còn lạicủa gói tin báo hiệu đường xuống Các thông tin báo hiệu trên kênh HS-SCCH baogồm thông tin định dạng truyền tải kênh HS-DSCH và các thông tin phục vụ choquá trình phát lại HARQ

Hình 2.9 Quan hệ thời gian giữa các gói tin

Các thông tin định dạng truyền tải được sử dụng để xác định mã định kênh PDSCH sẽ được phát đến UE cũng như những thông tin phục vụ cho quá trình giảiđiều chế tại UE Có bốn mã định kênh HS-SCCH được sử dụng trong một ô phục

HS-vụ HSDPA Thiết bị người dùng UE luôn tiến hành giám sát bốn kênh HS-SCCHnày trên đường xuống

Quan hệ thời gian giữa các gói tin phục vụ cho hoạt động của HSDPA được minhhoạ trên hình 2.9 Các chỉ thị bản tin CQI được UE gửi về Nút B theo chu kì xácđịnh, thường là 10ms Trước khi một khối dữ liệu được phát đến UE, gói tin báohiệu trên kênh HS-SCCH được phát đến UE có độ dài 2ms Khối dữ liệu được pháttrên kênh HS-PDSCH đến UE trễ hơn kênh HS-SCCH là 4/3ms (2 khe thời giangói HS-SCCH) Sau khi nhận xong khối dữ liệu được phát trên kênh HS-PDSCH,các bản tin báo nhận ACK/NACK được gửi về Nút B Thời gian từ lúc nhận xongkhối dữ liệu HS-PDSCH cho đến khi các bản tin ACK/NACK được phát về Nút B

là 5ms Khoảng thời gian này đủ cho UE tiến hành giải mã và kiểm tra CRC khối

dữ liệu vừa nhận được Quá trình hoạt động của HSDPA đòi hỏi phải có các bộđệm số liệu lớn tại Nút B và thiết bị đầu cuối UE Bộ đệm tại Nút B được sử dụng

để lưu trữ dữ liệu đang chờ được lập biểu phát đến Nút B cũng như dữ liệu phục vụcho quá trình phát lại HARQ Bộ đệm tại UE cũng cần được hỗ trợ dung lượng lớnhơn để lưu các khối dữ liệu bị lỗi để kết hợp với phần dữ liệu phát lại

2.2.2 Giao diện vô tuyến của HSDPA

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 ngườidùng và phần điều khiển Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC : RadioResource Control) trong phần điều khiển xử lý tất cả báo hiệu liên quan đến cấuhình 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) cóchức 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 lớngấp 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 hoạtđộng 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 đượcdùng với những ứng dụng cho phép sự mất gói như VoIP nhưng không chophép trễ

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 2.11minh 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 liệungười dùng Phần điều khiển báo hiệu (không có trong hình 2.10) có thể kết nối dễdàng 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 tronghình vẽ chỉ ra khả năng những dịch vụ có thể chạy song song

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 tửgiao thức mới là MAC-hs (high speed) trong Node B Hình 2.12 minh họa mộtphần của kiến trúc giao thức phần người dùng dựa theo những tính năng bổ sungcủa 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 cảnhững 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 đổingoại trừ một vài sự tối ưu hóa cho các dịch vụ thời gian thực như VoIP Ngay cảnếu HSDPA đã có truyền lại lớp vật lý thì lớp RLC vẫn có thể điều khiển truyền lạikhi 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 củaRLC

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 biểukênh HS-DSCH, điều khiển tốc độ và hoạt động của giao thức HARQ Để hỗ trợcác tính năng này, lớp vật lý cũng đã được tăng cường bằng các tính năng tươngứng chẳng hạn hỗ trợ kết hợp mềm trong HARQ Hình 2.13 mô tả MAC-hs và quátrình xử lý lớp vật lý

MAC-hs bao gồm lập biểu, xử lý ưu tiên, chọn khuôn dạng truyền tải (điềukhiển tốc độ) và các bộ phận HARQ Số liệu có dạng một khối truyền tải với kíchthước động được đưa từ MAC-hs thông qua kênh truyền tải HS-DSCH đến xử lýlớp vật lý HS-DSCH

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 khốitruyền tải CRC được UE sử dụng để phát hiện lỗi trong khối truyền tải thu Để giảiđiều chế 16QAM (một kiểu sơ đồ điều chế được hỗ trợ bởi HS-DSCH), máy thucần biết được biên độ để tạo ra giá trị mềm chính xác trước khi giải mã turbo Điềunày khác với QPSK, trong đó không cần thiết biết biên độ vì tất cả thông tin đượcchứa trong pha của tín hiệu thu Để dễ dàng đánh giá tham chuẩn biên độ, sau khigắn CRC các bit được ngẫu nhiên hóa Kết quả là chuỗi ra bộ mã hóa turbo đượcngẫu nhiên hóa trước khi đưa lên điều chế 16QAM và điều này hỗ trợ cho UE đểước tính chuẩn 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 đểphối hợp số bit được mã hóa với số bit khả dụng của kênh vật lý Cơ chế phối hợptốc độ cũng là một bộ phận của HARQ lớp vật lý và nó được sử dụng để tạo ra cácphiên bản dư khác nhay cho sơ đồ dư tăng Điều này được thực hiện thông qua cácmẫu đục lỗ khác nhau, các bit khác nhau được đục lỗ cho lần lần phát đầu và cáclần phát lại

Phân đoạn kênh vật lý thực hiện phân bố các bit đến các mã định kênh khácnhau 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

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 khungcon có độ dài 2ms Một khung con HS-SCCH được chia thành 3 khe có độ dài mỗikhe là 40 bit (tốc độ kênh HS-SCCH là 60Kbps)

Hình 2.14 Cấu trúc khung con HS-SCCHCác trường thông tin của gói HS-SCCH mang nội dung báo hiệu điều khiểnkhác nhau Tuỳ thuộc vào tuần tự sử dụng tại đầu thu, mà chúng được sắp xếp lêngói 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-PDSCHđến, nên chúng phải được xếp ở đầu của gói tin Trong khi các thông tin về kíchthước gói và thông tin HARQ liên quan cần thiết cho quá trình giải mã và kết hợpchỉ được sử dụng khi UE nhận xong khối dữ liệu HS-DSCH trong 2ms, nên chúngđược xếp ở phần sau của gói tin HS-SCCH Cấu trúc gói tin HS-SCCH được chiathành 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 phươngpháp 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 sốtiến trình HARQ phục vụ cho quá trình phát lại và kết hợp dữ liệu tại UE, phiênbản 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;

X

tbs,3

;….; X

tbs,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

Cờ chỉ thị dữ liệu mới ( 1 bit ) : Xnd,1

Mã nhận dạng thiết bị người dùng - UE ID (User Equipment Identifier) dùngnhận 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-PDSCHgồm 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 kênhHS-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 mãtheo thứ tự từ 1 đến 16

HSPDA sử dụng hai phương pháp điều chế là QPSK và 16QAM, do đó với mộtbit Xms,1 có hai trạng thái có thể báo hiệu cho UE biết được phương pháp điều chếnào đã được sử dụng Nếu kênh HS-DSCH được điều chế QPSK thì Xms,1 = 0 vànếu 16QAM được sử dụng thì Xms,1 = 1

HSDPA sử dụng phương pháp thích ứng kênh truyền bằng mã hoá và điều chếthích ứng – AMC, vì vậy trong một TTI, khối dữ liệu được phát đi có kích thước khácnhau 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 đếnkích thước khối dữ liệu được phát Các bit thông tin về kích thước khối truyền tải sẽđược 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 đểlưu 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 cầnthiết 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 đượcphát 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 dữliệu là mới thì trạng thái của bit Xnd,1 sẽ thay đổi từ 0 sang 1 (hoặc ngược lại); vànếu dữ liệu được phát lại, bit Xnd,1 sẽ giữ nguyên trạng thái của nó trong với khungHS-SCCH mà UE nhận trước đó

Điều khiển công suất kênh HS-SCCH

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 côngsuất phát kênh HS-SCCH phải đủ lớn để đảm bảo các gói tin HS-SCCH được nhậnmột cách chính xác Tuy nhiên, công suất phát HS-SCCH cũng không được quálớn nhằm tránh gây nhiễu giữa các ô lân cận Do đó, cần có cơ chế điều khiển côngsuất cho kênh HS-SCCH trong mỗi TTI sau cho khung HS-SCCH được phát thànhcông đến UE mà vẫn đảm bảo không làm tăng nhiễu trong hệ thống Hình 2.15minh 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 pháttrong 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 nhỏhơn Đồng thời, ta còn thấy rõ sự khác biệt về công suất giữa kênh HS-SCCH vàkênh HS-DSCH Đối với kênh HS-DSCH, công suất phát được giữ cố định do cóchế thích ứng kênh truyền của HSDPA không thực hiện điều khiển công suất màthực hiện điều khiển tốc độ

Hình 2.15 Điều khiển công suất phát kênhHS-SCCHCác tiêu chuẩn của 3GPP không qui định các cơ chế cho việc điều khiển công suấtkênh HS-SCCH Do dó, các thuật toán điều khiển công suất có thể được thiết kếbởi các nhà sản xuất Điều khiển công suất kênh HS-SCCH có thể dựa vào bản tinCQI hoặc dựa vào công suất phát kênh DPCCH Công suất phát kênh HS-SCCH có