Sự Tiến Hóa HSPA

Sự Tiến Hóa HSPA

TỔNG QUAN VỀ HSPA

Việc tìm cách cải tiến UMTS và làm cho nó nhanh hơn, sử dụng điện năng hiệu quả cao hơn, và cho phép nhiều thiết bị hơn sử dụng đồng thời một cell (ví dụ như, cho VoIP) đã không kết thúc với HSPA Ví dụ, ở các phiên bản 7 và cao hơn, đã có nhiều sáng kiến cải tiến thêm Những cải tiến trong giao tiếp vô tuyến của hệ thống HSPA được gọi là “sự tiến hóa HSPA” Ngoài ra, kiến trúc mạng cũng được “cải tiến” lại để trở nên hiệu quả hơn, với một tính năng gọi là “one-tunnel” Chuyên đề này chúng ta sẽ xem xét tổng quát những cải tiến này, nhiều cái trong số đó có nhiều khả năng sẽ được đưa vào các mạng trong vài năm tới

TỔNG QUAN VỀ HSPA

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào năm 2002 Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 vào tháng 12 năm 2004 Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA Các thông số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng 1.1

TỔNG QUAN VỀ HSPA

HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang riêng

để đạt được dung lượng cao (xem hình 1.1)

TỔNG QUAN VỀ HSPA

CÁC NỘI DUNG CHÍNH:

1 Điều chế bậc cao

2 MIMO

3 Khả năng truyền gói liên tục

4 Hoạt động CELL_FACH tăng cường

5 Cải tiến mạng vô tuyến

1 Điều chế bậc cao:

Một trong các thông số chủ chốt của một hệ thống không dây là tốc độ truyền tối đa Cho đến nay, HSPA sử dụng các phương thức điều chế QPSK và 16-QAM để đạt đến những tốc độ truyền (về lý thuyết) lên tới 14.4 Mbit/s ở hướng xuống, còn trong thực tế là 2–5 Mbit/s trong những điều kiện truyền tốt Để tăng hơn nữa tốc độ truyền, Release 7 của 3GPP đề xuất dùng phương thức điều chế 64-QAM ở hướng xuống, tức mỗi bước truyền đi 6 chip so với 4 chip của 16-QAM Trong thực tế, người ta hy vọng rằng việc đưa vào phương thức điều chế 64-QAM sẽ giúp người dùng ở gần trung tâm của cell có thêm 30% thông suất

1 Điều chế bậc cao:

Tuy nhiên, hầu hết người dùng sẽ không dùng được phương thức 64-QAM, bởi vì khi đó tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu của họ sẽ rất thấp Nhưng khi thông suất tổng thể trong cell tăng lên, những người dùng này cũng sẽ hưởng lợi từ việc dùng phương thức điều chế ấy, bởi vì cell sẽ có nhiều thời gian hơn để truyền dữ liệu, và dữ liệu dành cho những người dùng ở gần trung tâm cell hơn có thể được gửi đi nhanh

hơn Hơn nữa, điều chế 64-QAM cũng có lợi cho việc xây dựng các microcell ở những nơi công cộng như

siêu thị, nơi người dùng ở gần những cell nhỏ cho nên ít tạo ra nhiễu

2 MIMO:

Một công nghệ đang nổi lên khác để làm tăng thông suất trong điều kiện tín hiệu tốt là MIMO Về cơ bản, công nghệ truyền MIMO sử dụng hai ăng-ten hoặc nhiều hơn, ở cả phía bộ phát sóng lẫn phía bộ thu sóng, để truyền đồng thời những dòng dữ liệu độc lập trên cùng dải tần Cách này làm tốc độ truyền tăng tỉ lệ thuận với số ăng-ten Như vậy, một bộ hai ăng-ten phát và hai ăng-ten thu (2x2) có thể làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng Release 7 của bộ chuẩn 3GPP dự đoán là MIMO sẽ được sử dụng kết hợp với điều chế 16-QAM ở hướng xuống Cho nên, nếu nhà cung cấp dịch vụ mạng chọn triển khai một

bộ ăng-ten tăng cường như vậy cho trạm cơ sở, tốc độ truyền dữ liệu tối đa về lý thuyết 14.4 Mbit/s sẽ tăng lên đến 28.8 Mbit/s

Hình 1.3 Xử lý kênh HS-DSCH trong trường hợp truyền dẫn MIMO

Tr l i ở ạ Ti p t c ế ụ Tho¸t

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

Với D-TxAA, hai luồng dữ liệu độc lập được truyền đồng thời trên kênh vô tuyến với mã hóa kênh WCDMA giống

nhau Mỗi khối sẽ được xử lý và mã hóa kênh riêng Sau quá trình trải phổ mỗi luồng có thể coi như tín hiệu trên một anten

ảo Trước khi mỗi tín hiệu anten ảo này được đưa tới anten vật lý, các tín hiệu sẽ được tiền mã hóa dựa trên các trọng số để

tối ưu hóa khi truyền trên kênh vô tuyến Với mỗi luồng, bộ tiền mã hóa chỉ đơn giản là một cặp trọng số Luồng i sẽ được nhân với trọng số phức wj trước khi đưa tới anten j, trọng số từ w1 đến w4 là các trọng số khả dụng.

này, tiền mã hóa mang lại cả phân tập và độ lợi dàn khi cả hai anten phát được sử dụng và các trọng số được lựa chọn sao cho tín hiệu từ hai anten cộng lại tại bộ thu một cách nhất quán

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

Điều này làm tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu máy thu so với việc không tiền mã hóa, do đó làm tăng

vùng phủ đối với một tốc độ dữ liệu nào đó

Luồng dữ liệu đầu tiên sẽ được nhân với w1 và w2, luồng thứ hai thì được nhân với w3 và w4 Các trọng

số này có thể có giá trị như sau:

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

Trong trường hợp truyền dẫn hai luồng, tiền mã hóa có thể được sử dụng để giúp máy thu tách hai luồng

Nếu các trọng số luồng hai được chọn là vector đặc trưng (trực giao) của ma trận hệ số tại máy thu, hai luồng sẽ

không gây nhiễu với nhau Do đó, khi trọng số cho luồng thứ nhất đã được lựa chọn, trọng số w3, w4 cho luồng

thứ hai phải thỏa mãn yêu cầu là tạo ra cột của ma trận tiền mã hóa trực giao

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

w2 có thể có 4 giá trị, tùy theo 4 giá trị của ma trận tiền mã hóa w Giá trị của ma trận tiền mã hóa sẽ không thay đổi

trong suốt một phân khung Việc cài đặt các trọng số được thực hiện ở nút B Nút B lựa chọn các trọng số tối ưu dựa trên báo cáo PCI từ UE trên đường lên

Sau khi nhân với các trọng số, hai luồng dữ liệu được đưa đến bộ cộng trước khi đưa lên anten, vì thế mỗi

anten sẽ phát đi một phần của mỗi luồng Chú ý là hai khối dữ liệu khác nhau sẽ có sơ đồ điều chế và mã hóa khác nhau phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu và điều kiện kênh vô tuyến

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

Để thực hiện giải điều chế dữ liệu đã phát đi, UE yêu cầu việc ước tính kênh phải được tiến hành giữa các

anten ảo trạm gốc và các anten vật lý ở UE Như vậy sẽ có tổng số 4 kênh cần được ước tính Ngoài ra, tín hiệu hoa tiêu có thể được phát đi trên mỗi anten ảo nhưng không cần tương thích với UE, với giả thiết tín hiệu hoa tiêu sơ cấp được phát đi tại anten đầu tiên Kênh hoa tiêu chung sẽ được truyền đi từ mỗi anten vật lý

2 MIMO:

2.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO

Việc điều khiển tốc độ cho mỗi luồng cũng tương tự như trong trường hợp truyền dẫn đơn luồng Tuy

nhiên, cơ chế điều khiển yêu cầu xác định số luồng truyền đi cũng như xác định ma trận tiền mã hóa Vì thế, với mỗi TTI, cơ chế điều khiển tốc độ sẽ xác định số luồng, kích thước khối truyền cho một luồng, số lượng mã cho

mã hóa kênh, sơ đồ điều chế và ma trận tiền mã hóa

Truyền dẫn đa luồng thường chỉ có lợi khi tỷ số sóng mang trên nhiễu cao và do đó nó được sử dụng để mang lại tốc độ dữ liệu cao nhất Với trường hợp chỉ cần tốc độ thấp hơn thì sẽ sử dụng truyền dẫn một luồng Lúc này, hai anten vật lý sẽ thực hiện phân tập và chỉ có một anten ảo mang dữ liệu người dùng

2 MIMO:

2.2 Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO

Đối với mỗi luồng, việc xử lý HARQ lớp vật lý hay việc sử dụng nhiều quá trình HARQ sẽ tương tự như

trường hợp truyền dẫn đơn luồng Tuy nhiên, khi nhiều luồng được phát trên nhiều anten khác nhau, thì phải có một luồng được thu chính xác, các luồng khác có thể yêu cầu phát lại phần tải trọng Nếu luồng đầu tiên thu bị lỗi thì việc giải mã luồng thứ hai cũng sẽ không chính xác nếu ta sử dụng SIC Do đó, trên mỗi luồng, ACK/NAK sẽ được gửi đi từ UE tới nút B

2 MIMO:

2.3 HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO

Để hỗ trợ MIMO, tín hiệu điều khiển ngoài băng sẽ được thay đổi sao cho phù hợp Còn tín hiệu trong

băng thì yêu cầu không được thay đổi trong kết cấu tiêu đề MAC-hs Đồng thời việc lựa chọn hàng đợi ưu tiên cũng không bị ảnh hưởng khi ứng dụng MIMO Tuy nhiên, để hỗ trợ hiệu quả cho tốc độ dữ liệu mà MIMO đưa

ra, lớp MAC và RLC sẽ được bổ sung thêm một số phân đoạn linh hoạt Tín hiệu điều khiển ngoài băng sẽ được mang trên kênh HS-SCCH

2 MIMO:

2.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO

HS-SCCH được phân chia thành hai phần Phần một được mở rộng để chứa thông tin về số luồng truyền

tới UE (một luồng hay hai luồng) và sơ đồ điều chế tương ứng cũng như ma trận nào trong bốn ma trận tiền mã hóa mà nút B sử dụng Còn khuôn dạng phần thứ hai của HS-SCCH sẽ phụ thuộc vào việc sử dụng truyền dẫn một luồng hay hai luồng Với trường hợp sau, các bit thông tin bổ sung sẽ được phát đi trong phần hai để mang thông tin HARQ và kích thước khối truyền cho luồng thứ hai Mặc dù số lượng các bit trên kênh HS-SCCH có tăng lên khi chức năng MIMO được cho phép, nhưng hệ số trải phổ của HS-SCCH vẫn được giữ nguyên là 128

2 MIMO:

2.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO

Tr l i ở ạ Ti p t c ế ụ Tho¸t

2 MIMO:

2.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO

Các bit này vẫn sẽ được đặt vừa vặn trong lớp vật lý bằng cách điều chỉnh tỷ lệ phù hợp giữa hai phần của HS-SCCH Hình 1.6 chỉ ra thông tin kênh HS-DSCH trong trường hợp hỗ trợ MIMO

Báo hiệu cho quá trình HARQ cũng khác với HSDPA trong phát hành 5 Trong phát hành 5, sẽ có trên 8 quá trình HARQ được báo hiệu Để đảm bảo truyễn dữ liệu liên tục thì phải báo hiệu ít nhất 6 quá trình HARQ Như vậy, trong truyền dẫn hai luồng MIMO, thì con số nhỏ nhất là 12 Mỗi một quá trình sẽ được xác nhận độc lập Về mặt lý thuyết, quá trình HARQ trên mỗi luồng hoàn toàn độc lập với nhau Tuy nhiên, điều này làm tăng thông tin mào đầu một cách đáng kể (8 bit) Do đó, việc kết hợp các quá trình HARQ cần được quan tâm

2 MIMO:

2.2 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO

Để giảm bớt thông tin mào đầu, quá trình HARQ chỉ được báo hiệu cho luồng dữ liệu sơ cấp trong 4 bit, còn HARQ

cho luồng thứ hai thì được tính theo quy tắc nhất định Do đó, sẽ chỉ có một phép ánh xạ một - một giữa quá trình HARQ cho luồng sơ cấp với luồng thứ cấp Ví dụ về mối quan hệ này được trình bày trong bảng 2.2:

2 MIMO:

2.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO

Không chỉ có kênh điều khiển đường xuống, MIMO cũng gây ảnh hưởng tới kênh điều khiển đường

lên tức là kênh HS-DPCCH

Tín hiệu điều khiển ngoài băng đường lên bao gồm ACK/NAK, PCI và CQI, được phát đi trên kênh HS-DPCCH Báo cáo PCI được đưa ra để bổ xung cho báo cáo CQI Việc mã hóa kênh cho PCI/CQI và cho HARQ-ACK được thực hiện một cách riêng biệt Hình 1.7 thể hiện nguyên lý đó

2 MIMO:

2.5 Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO

Tr l i ở ạ Ti p t c ế ụ Tho¸t

2 MIMO:

2.5 Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO

Thông tin điều khiển tiền mã hóa PCI bao gồm 2 bit để chỉ ra ma trận nào trong bốn ma trận tiền mã

hóa phù hợp nhất với điều kiện kênh ở phía UE CQI thì chỉ ra tốc độ dữ liệu mà UE khuyến cáo trong trường hợp truyền dẫn sử dụng PCI Cả hai báo cáo CQI đơn luồng và hai luồng đều có thể được sử dụng khi bộ lập lịch ra quyết định truyền một luồng, thậm chí là hai luồng khi điều kiện kênh cho phép, ví dụ như khi lượng

dữ liệu truyền đi không quá lớn

2 MIMO:

2.5 Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO

3 Khả năng truyền gói liên tục:

Continuous Packet Connectivity (CPC) là một tập hợp các tính năng đặc biệt (feature) được giới thiệu trong các chuẩn 3GPP để cải thiện việc xử lý các thuê bao di động trong khi họ có một đường truyền gói được thiết lập, tức là trong khi họ được cấp phát một địa chỉ IP Phối hợp với nhau, chúng nhằm giảm số lượng thay đổi trạng thái để tối thiểu thời gian trễ và phụ phí báo hiệu, bằng cách đưa ra những phương thức cải tiến để giữ cho một thiết bị ở trên các kênh tốc độ cao (ở trạng thái HSPA Cell-DCH) càng lâu càng tốt, cho dù không

có cuộc truyền dữ liệu nào đang diễn ra

3 Khả năng truyền gói liên tục:

Trong khi một đường truyền được thiết lập giữa mạng và UE, có vài kênh được đồng thời sử dụng Điều này là cần thiết, bởi vì không chỉ dữ liệu người dùng mà cả thông tin điều khiển cũng được gửi qua đường truyền, để giữ cho đường truyền đó được thiết lập, để điều khiển công suất truyền, v.v Hiện nay, kênh điều khiển vô tuyến ở hướng lên (UL DPCCH) được truyền liên tục, ngay cả trong những lúc thụ động, để không mất đồng bộ Bằng cách này, khi cần thiết UE có thể tiếp tục các cuộc truyền tải lên mà không có bất kỳ sự trễ nải nào

3.1 Tính năng 1: Một dạng thức khung (slot format) mới cho kênh điều khiển hướng lên.

Kênh điều khiển hướng lên vận chuyển bốn loại thông số:

* Transmit Power Control (TPC);

* Pilot (dùng cho việc đánh giá kênh của bộ thu sóng);

* TFCI (Transport Format Combination Identifier);

* FBI (Feedback Indicator)

3 Khả năng truyền gói liên tục:

3.1 Tính năng 1: Một dạng thức khung (slot format) mới cho kênh điều khiển hướng lên.

* Giảm bớt báo cáo CQI: để sử dụng tốt nhất những điều kiện tín hiệu hiện thời ở hướng tải xuống, UE phải

báo cáo về mạng là nó nhận dữ liệu truyền tốt đến mức nào Chất lượng của tín hiệu được báo cáo về mạng bằng thông số CQI (Channel Quality Index) cùng với dữ liệu người dùng ở hướng lên Để làm giảm công suất phát của UE trong khi có dữ liệu được tryền ở hướng lên nhưng không có ở hướng xuống, tính năng này qui định giảm đi số lượng báo cáo CQI trong dữ liệu hướng lên

3 Khả năng truyền gói liên tục:

3.1 Tính năng 2: giảm bớt báo cáo CQI, truyền không liên tục hướng lên kết hợp với những cải tiến trong truyền thông tin điều khiển hướng xuống

* Tắt đi kênh UL HS-DPCCH: khi không có dữ liệu nào được truyền ở hướng lên hoặc hướng xuống, kênh

điều khiển hướng lên (UL DPCCH) dành cho HSDPA được tắt đi (điều này được gọi là UL HS-DPCCH gating) Định kỳ nó được bật lên trong một khoảng thời gian ngắn để truyền các gói điều khiển về mạng nhằm

duy trì sự đồng bộ Điều này cải thiện tuổi thọ pin đối với những ứng dụng như duyệt Web chẳng hạn Giải pháp này cũng làm giảm mức tiêu thụ điện năng cho VoIP và làm giảm mức nhiễu trong mạng (tức là cho phép nhiều người dùng VoIP đồng thời hơn) Hình 1.10 cho thấy những lợi điểm của giải pháp này

3 Khả năng truyền gói liên tục:

3.1 Tính năng 2: giảm bớt báo cáo CQI, truyền không liên tục hướng lên kết hợp với những cải tiến trong truyền thông tin điều khiển hướng xuống

* Tắt đi kênh F-DPCH: các UE trong chế độ tích cực HSDPA luôn luôn nhận được một kênh vật lý dành

riêng (DPCH) điều khiển ở hướng xuống, ngoài những kênh điều khiển dùng chung tốc độ cao (HS-SCCH), vốn vận chuyển thông tin điều khiển công suất và các thông điệp tài nguyên vô tuyến (RRC) tầng 3, ví dụ cho các cuộc chuyển giao, sửa đổi kênh, v.v… Tính năng F-DPCH (Fractional-DPCH) đặt các thông điệp RRC lên các kênh dùng chung HSDPA, và vì vậy, UE chỉ phải giải mã thông tin điều khiển công suất từ kênh DPCH Vào những khoảng thời gian khác, tức khi UE không trong chế độ tích cực HSDPA, thì

3 Khả năng truyền gói liên tục:

3.1 Tính năng 2: giảm bớt báo cáo CQI, truyền không liên tục hướng lên kết hợp với những cải tiến trong truyền thông tin điều khiển hướng xuống

kênh DPCH không được UE sử dụng Trong những khoảng thời gian này, thông tin điều khiển công suất được truyền cho các UE khác bằng cách dùng cùng mã trải Hệ quả là, vài UE dùng chung mã trải của kênh vật lý dành riêng đó nhưng lắng nghe nó vào những thời điểm khác nhau Thế có nghĩa là hệ thống sử dụng ít mã trải hơn cho mục đích này, như vậy để lại nhiều tài nguyên hơn cho các kênh tải xuống tốc độ cao, hoặc cho phép nhiều người dùng hơn đồng thời được giữ ở trạng thái HSPA Cell-DCH.

3 Khả năng truyền gói liên tục:

3.1 Tính năng 2: giảm bớt báo cáo CQI, truyền không liên tục hướng lên kết hợp với những cải tiến trong truyền thông tin điều khiển hướng xuống