Công nghệ 3G

thực thể này là ITU-T H.248. MGCF cũng liên lạc với CSCF. Giao thức được chọn cho giao diện này là SIP. Tuy nhiên có thể nhiều nhà khai thác vẫn sử dụng nó kết hợp với các miền chuyển mạch kênh trong R3 và R4. Điều này cho phép chuyển đồi dần dần từ các phiên bản R3 và R4 sang R5. Một số các cuộc gọi thoại có thể vẫn sử dụng miền CS một số các dịch vụ khác chẳng hạn video có thể được thực hiện qua R5 IMS. Cấu hình lai ghép được thể hiện trên hình 2.9 Hình 2.9. Chuyển đổi dần từ R4 sang R5 2.7. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS Trong phần này ta sẽ xét chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS của hãng Alcatel. Alcatel dự kiến phát triển RAN từ GSM lên 3G UMTS theo ba phát hành: 3GR1, 3GR2 và 3GR3. Với mỗi phát hành, các sản phẩm mới và các tính năng mới được đưa ra. 2.7.1. 3GR1 : Kiến trúc mạng UMTS chồng lấn Phát hành 3GP1 dựa trên phát hành của 3GPP vào tháng 3 và các đặc tả kỹ thuật vào tháng 6 năm 2000. Phát hành đầu của 3GR1 chỉ hỗ trợ UTRA-FDD và sẽ được triển khai chồng lấn lên GSM. Chiến lược dịch chuyển từ GSM sang UMTS phát hành 3GR1 được chia thành ba giai đoạn được ký hiệu là R1.1, R1.2 và R1.3 (R: Release: phát hành). Trong các phát hành này các phần cứng và các tính năng mới được đưa ra. Các nút B được gọi là MBS (Multistandard Base Station: trạm gốc đa tiêu chuẩn). Tuy nhiên MBS V1 chỉ đơn thuần là nút B, chỉ MBS V2 mới thực sự đa tiêu chuẩn và chứa các chức năng của cả nút B và BTS trong cùng một hộp máy. Tương tự RNC V2 và OMC-R V2 được đưa ra để phục vụ cho cả UMTS và GSM. Hình 2.10. Kiến trúc đồng tồn tại GSM và UMTS (phát hành 3GR1.1) 2.7.2. 3GR2 : Tích hợp các mạng UMTS và GSM Trong giai đoạn triền khai UMTS thứ hai sự tích hợp đầu tiên giữa hai mạng sẽ được thực hiện bằng cách đưa ra các thiết bị đa tiêu chuẩn như: Nút B kết hợp BTS (MBS V2) và RNC kết hợp BSC (RNC V2). Các chức năng khai thác và bảo dưỡng mạng vô tuyến cũng có thể được thực hiện chung bởi cùng một OMC-R (V2). Hình 2.11 mô tả kiến trúc mạng RAN tích hợp của giai đoạn hai. Hình 2.11. Kiến trúc mạng RAN tích hợp phát hành 3GR2 (R2.1). 2.7.3. 3GR3 : Kiến trúc RAN thống nhất Trong kiến trúc RAN của phát hành này được xây dựng trên cơ sở phát hành R5 vào tháng 9 năm 2000 của 3GPP. Trong phát hành này RAN chung cho cả hệ thống UMTS và GSM. Cả UTRA-FDD và UTRA-TDD đều được hỗ trợ. Giao thức truyền tải được thống nhất cho GSM, E-GPRS và UMTS, ngoài ra có thể ATM kết hợp IP. GERAN (GSM/EDGE RAN) cũng sẽ được hỗ trợ bởi phát hành này của mạng. Kiến trúc RAN của 3GR1.3 được thể hiện trên hình 2.12. Hình 2.12. Kiến trúc RAN thống nhất của 3GR3.1 2.8. Cấu hình địa lý của hệ thống thông tin di động 3G Do tính chất di động của thuê bao di động nên mạng di động phải được tổ chức theo một cấu trúc địa lý nhất định để mạng có thể theo dõi được vị trí của thuê bao. 2.8.1. Phân chia theo vùng mạng Trong một quốc gia có thể có nhiều vùng mạng viễn thông, việc gọi vào một vùng mạng nào đó phải được thực hiện thông qua tổng đài cổng. Các vùng mạng di động 3G được đại diện bằng tổng đài cổng GMSC hoặc GGSN. Tất cả các cuộc gọi đến một mạng di động từ một mạng khác đều được định tuyến đến GMSC hoặc GGSN. Tổng đài này làm việc như một tổng đài trung kế vào cho mạng 3G. Đây là nơi thực hiện chức năng hỏi để định tuyến cuộc gọi kết cuối ở trạm di động. GMSC/GGSN cho phép hệ thống định tuyến các cuộc gọi vào từ mạng ngoài đến nơi nhận cuối cùng: các trạm di động bị gọi. 2.8.2. Phân chia theo vùng phục vụ MSC/VLR và SGSN Một mạng thông tin di động được phân chia thành nhiều vùng nhỏ hơn, mỗi vùng nhỏ này được phục vụ bởi một MSC/VLR (hình 2.13a). hay SGSN (2.13b) Ta gọi đây là vùng phục vụ của MSC/VLR hay SGSN. Hình 2.13. Phân chia mạng thành các vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC đang phục vụ thuê bao di động cần gọi. Ở mỗi vùng phục vụ MSC/VLR thông tin về thuê bao được ghi lại tạm thời ở VLR. Thông tin này bao gồm hai loại: Thông tin về đăng ký và các dịch vụ của thuê bao. Thông tin về vị trí của thuê bao (thuê bao đang ở vùng định vị hoặc vùng định tuyến nào). 2.8.3. Phân chia theo vùng định vị và vùng định tuyến Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị: LA (Location Area) (hình 2.14a). Mỗi vùng phục vụ của SGSN được chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area) (2.14b). Hình 2.14. Phân chia vùng phục vụ của MSC/VLR và SGSN thành các vùng định vị (LA: Location Area) và định tuyến (RA: Routing Area) Vùng định vị (hay vùng định tuyến là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR (hay SGSN) mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do và không cần cập nhật thông tin về vị trí cho MSC/VLR (hay SGSN) quản lý vị trí này. Có thể nói vùng định vị (hay vùng định tuyến) là vị trí cụ thể nhất của trạm di động mà mạng cần biết để định tuyến cho một cuộc gọi đến nó. Ở vùng định vị này thông báo tìm sẽ được phát quảng bá để tìm thuê bao di động bị gọi. Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị (LAI: Location Area Identity) hay nhận dạng vùng định tuyến (RAI Routing Area Identity). Vùng định vị (hay vùng định tuyến) có thể bao gồm một số ô và thuộc một hay nhiều RNC, nhưng chỉ thuộc một MSC (hay một SGSN). 2.8.4. Phân chia theo ô Vùng định vị hay vùng định tuyến được chia thành một số ô (hình 2.15). Hình 2.15 Phân chia LA và RA Ô là một vùng phủ vô tuyến được mạng nhận dạng bằng nhận dạng ô toàn cầu (CGI: Cell Global Identity). Trạm di động nhận dạng ô bằng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC: Base Station Identity Code). Vùng phủ của các ô thường được mô phỏng bằng hình lục giác để tiện cho việc tính toán thiết kế. 2.8.5. Mẫu ô Mẫu ô có hai kiểu: vô hướng ngang (omnidirectional) và phân đoạn (sectorized). Các mẫu này được cho trên hình 2.16. Hình 2.16. Các kiểu mẫu ô Ô vô hướng ngang (hình 2.16a) nhận được từ phát xạ của một anten có búp sóng tròn trong mặt ngang (mặt phẳng song song với mặt đất) và búp sóng có hướng chúc xuống mặt đất trong mặt đứng (mặt phẳng vuông góc với mặt đất). Ô phân đoạn (hình 2.16b) là ô nhận được từ phát xạ của ba anten với hướng phát xạ cực đại lệch nhau 1200. Các anten này có búp sóng dạng nửa số 8 trong mặt ngang và trong mặt đứng búp sóng của chúng chúc xuống mặt đất. Trong một số trường hợp ô phân đoạn có thể được tạo ra từ phát xạ của nhiều hơn ba anten. Trong thực tế mẫu ô có thể rất đa dạng tùy vào địa hình cần phủ sóng. Tuy nhiên các mẫu ô như trên hình 2.16 thường được sử dụng để thiết kế cho sơ đồ phủ sóng chuẩn. 2.8.6. Tổng kết phân chia vùng địa lý trong các hệ thống thông tin di động 3G Trong các kiến trúc mạng bao gồm cả miền chuyển mạch kênh và miền chuyển mạch gói, vùng phục mạng không chỉ được phân chia thành các vùng định vị (LA) mà còn được phân chia thành các vùng định tuyến (RA: Routing Area). Các vùng định vị (LA: Location Area) là khái niệm quản lý di động của miền CS kế thừa từ mạng GSM. Các vùng định tuyến (RA: Routing Area) là các thực thể của miền PS. Mạng lõi PS sử dụng RA để tìm gọi. Nhận dạng thuê bao P-TMSI (Packet- Temporary Mobile Subsscriber Identity: nhận dạng thuê bao di động gói tạm thời) là duy nhất trong một RA. Trong mạng truy nhập vô tuyến, RA lại được chia tiếp thành các vùng đăng ký UTRAN (URA: UTRAN Registration Area). Tìm gọi khởi xướng UTRAN sử dụng URA khi kênh báo hiệu đầu cuối đã được thiết lập. URA không thể nhìn thấy được ở bên ngoài UTRAN. Quan hệ giữa các vùng được phân cấp như cho ở hình 2.17 (ô không được thể hiện). LA thuộc 3G MSC và RA thuộc 3G SGSN. URA thuộc RNC. Theo dõi vị trí theo URA và ô trong UTRAN được thực hiện khi có kết nối RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) cho kênh báo hiệu đầu cuối. Nếu không có kết nối RRC, 3G SGSN thực hiện tìm gọi và cập nhật thông tin vị trí được thực hiện theo RA. Hình 2.17. Các khái niệm phân chia vùng địa lý trong 3G WCDMA UMTS. 2.9. Tổng kết Chương này trước hết xét tổng quan quá trình phát triển thông tin di động lên 4G. Nếu công nghệ đa truy nhập cho 3G là CDMA thì công nghệ đa truy nhập cho 4G là OFDMA. Sau đó kiến trúc mạng 3G được xét. Mạng lõi 3G bao gồm hai vùng chuyển mạch: (1) vùng chuyển mạch các dịch vụ CS và (2) vùng chuyển mạch các dịch vụ PS. Các phát hành đánh dấu các mốc quan trọng phát triển mạng 3G WCDMA UMTS được xét: R3, R4, R5 và R6. R3 bao gồm hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong đó kết nối giữa các nút chuyển mạch gọi là TDM (ghép kênh theo thời gian). R4 là sự phát triển của R3 trong đó miền chuyển mạch kênh chuyển thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng bằng IP. R5 và R6 hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Để đáp ứng được nhiệm vụ này ngoài miền chuyển mạch gói, mạng được bổ sung thêm phân hệ đa phương tiên IP (IMS). Cốt lõi của IMS là CSCF thực hiện khởi đầu kết nối đa phương tiện IP dựa trên giao thức khởi đầu phiên (SIP Session Initiation Protocol). Ngoài ra IMS vẫn còn chứa chuyển mạch mềm để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch kênh (MGCF). Hiện nay mạng 3GWCDMA UMTS đang ở giai doạn chuyển dần từ R4 sang R5 (hình 1.12). Cuối chương trình bày cấu trúc địa lý của một mạng thông tin di đông 3G có chứa cả vùng chuyển mạch kênh và vùng chuyển mạch gói. Chương 3 TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO (HSPA) 3.1.Giới thiệu chung 3.1.1. Mục đích chương Hiểu kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSDPA Hiểu được các sơ đồ lập biểu (Scheduler) và HARQ áp dụng cho HSPA Hiểu được kiến trúc HSDPA và các kênh của nó Hiểu được kiến trúc HSUPA và các kênh của nó Hiểu được chuyển giao trong HSDPA 3.1.2. Các chủ đề được trình bầy trong chương Tổng quan HSPA Kiến trúc giao diện vô tuyến của HSPA HSDPA HSUPA Chuyển giao HSDPA 3.1.3. Hướng dẫn Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương Tham khảo các tài liệu tham khảo nếu cần 3.2.Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) 3.2.1. Mở đầu 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 và tháng 12 năm 2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007. Các thông số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 5,7 Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến trên 14,4Mbps năm 2008. Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps trong giai đoạn hai tốc độ này có thể đạt đến 4-5,7 Mbps vào năm 2008. HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao (xem Hình 3.1). Hình 3.1. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1). HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng nút B và RNC. Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác. Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau. Hình 3.2 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2 ms) tại đầu cuối chỉ xẩy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng. Hình 3.2. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA) 3.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến HSPA cho số liệu người sử dụng Hình 3.3 cho thấy kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng. Mặt phẳng báo hiệu không được thể hiện trên Hình 3.3 (trong mặt phẳng này báo hiệu được nối đến RLC sau đó được đưa lên DCH hay HSDPA hoặc HSUPA). Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP (Packet Data Convergence Protocol). MAC-hs (High Speed: tốc độ cao) thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên nút B. Đối với HSDPA chức năng MAC mới (MAC-hs) được đặt trong nút B để xử lý phát lại nhanh dựa trên HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request: yêu cầu phát lại tự động lai ghép), lập biểu và ưu tiên. Đối với HSUPA chức năng MAC mới (MAC-e) được đặt trong nút B để xử lý phát lại nhanh dựa trên HARQ, lập biểu và ưu tiên. Tại UE chức năng MAC-e mới được sử dụng để xử lý lập biểu và HARQ dưới sự điều khiển của MAC-e trong nút B. Chức năng MAC mới (MAC-es) được đặt trong RNC để sắp xếp lại thứ tự gói trước khi chuyển lên các lớp trên. Sự sắp xếp lại này là cần thiết, vì của chuyển giao mềm có thể dẫn đến các gói từ các nút B khác nhau đến RNC không theo thứ tự. MAC-hs: High Speed MAC: MAC tốc độ cao MAC-e: E-DCH MAC: MAC kênh E-DCH, MAC-es: thực thể MAC kênh E-DCH để sắp đặt lại thứ tự Hình 3.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng Hình 3.4 cho thấy các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA. Hình 3.4. Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA. 3.4.Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA) HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B. 3.4.1 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: High-Speed Dowlink Shared Channel). HS-DSCH cho phép cấp phát nhanh một bộ phận tài nguyên 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 thường được truyền theo dạng cụm và vì thể 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 3.5. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 (xem phần trên của Hình 3.5), trong đó số mã có thể 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. Hình 3.5. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH Phần dưới của Hình 3.5 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng trên cở sở TTI=2ms (TTI: Transmit Time Interval: Khoảng thời gian truyền dẫn). HSPDA 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. Lưu ý rằng HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển tốc độ. Trong trường hợp sử dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, 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. 3.4.2. Lập biểu phụ thuộc kênh Lập biểu (Scheduler) 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 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 3.6). 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 phađinh nhanh là hiệu ứng không mong muốn và rằng cần chống lại nó, bằng cách lập biểu phụ thuộc kênh phađinh có lợi và cần khai thác nó. Chiến lược của bộ lập biểu thực tế là khai thác các thay đổi ngắn hạn (do phađinh đa đường) và các 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 3.6. Lập biểu phụ thuộc kênh cho 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 kiện 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. Nguyên lý lập biểu của HSDPA được cho trên Hình 3.7. Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng người sử dụng HSDPA tích cực dựa trên thông tin phản hồi nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được tiến hành theo giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng. Hình 3.7. Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B 3.4.3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao 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 tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Eb/N0) cao hơn. Vì thế 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lơi. Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh. 3.4.3.1. Mã hóa kênh HS-DSCH Do mã hóa turbo có hiệu năng vượt trội mã hóa xơắn nên HS-DSCH chỉ sử dụng mã hóa turbo. Nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa turbo như sau (Hình 3.8a). Luồng số đưa vào bộ mã hóa turbo được chia thành ba nhánh, nhánh thứ nhất không được mã hóa và các bit ra của nhánh này được gọi là các bit hệ thống, nhánh thứ hai và thứ ba được mã hóa và các bit ra của chúng được gọi là các bit chẵn lẻ 1 và 2. Như vậy cứ một bit vào thì có ba bit ra, nên bộ mã hóa turbo này có tỷ lệ mã là r=1/3. Tỷ lệ này có thể giảm nếu ta bỏ bớt một số bit chẵn lẻ và quá trình này được gọi là đục lỗ (Hình 3.8b). Hình 3.8. Mã hóa turbo và đục lỗ 3.4.3.2. Điều chế HS-DSCH HS-DSCH có thể sử dụng điều chế QPSK và 16-QAM. Chùm tín hiệu QPSK và 16QAM được cho trên Hình 3.9. Điều chế QPSK chỉ cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được hai bit, trong khi đó điều chế 16QAM cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được bốn bit vì thế 16QAM cho phép truyền tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên từ Hình 3.9 ta thấy khoảng cách giữa hai điểm tín hiệu trong chùm tín hiệu 16QAM lại ngắn hơn khoảng cách này trong chùm tín hiệu QPSK và vì thế khả năng chịu nhiễu và tạp âm của 16QAM kém hơn QPSK. Hình 3.9. Chùm tín hiệu đièu chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu 3.4.3.3. Truyền dẫn thích ứng trên cơ sở điều chế và mã hóa kênh thích ứng Truyền dẫn thích ứng là quá trình truyền dẫn trong đó tốc độ số liệu được thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường truyền: tốc độ đường truyền được tăng khi chất lượng đường truyền tốt hơn, ngược lại tốc độ đường truyền bị giảm. Để thay đổi tốc độ truyền phù hợp với chất lượng kênh, hệ thống thực hiện thay đổi sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã nên phương pháp này được gọi là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding). Chẳng hạn khi chất lượng đường truyền tốt hơn, hệ thống có thể tăng tốc độ truyền dẫn số liệu bằng cách chọn sơ đồ điều chế 16QAM và tăng tỷ lệ mã bằng 3/4 bằng cách đục lỗ, trái lại khi chất lượng truyền dẫn tồi hơn hệ thống có thể giảm tốc độ truyền dẫn bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế QPSK và không đục lỗ để giảm tỷ lệ bằng 1/3. 3.4.4. 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 đế phát lại so với phát hành R3. Nguyên lý xử lý phát lại HSDPA được minh họa trên Hình 3.10. Đầu tiên gói được nhận vào bộ nhớ đệm của nút B. Ngay cả khi gói đã được gửi đi nút B vẫn giữ gói này. Nếu UE giải mã thất bại nó lưu gói nhận được vào bộ nhớ đệm và gửi lệnh không công nhận (NAK) đến nút B. Nút B phát lại cả gói hoặc chỉ phần sửa lỗi của gói tùy thuộc vào gải thuâth kết hợp gói tại UE. UE kết hợp gói phát trước với gói được phát lại và giải mã. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút B thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ công nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra. Hình 3.10. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B 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 phần dư (IR) được sử dụng làm cơ sở cho kết hợp mềm trong HSDPA, nghĩa là các lần phát lại có thể chứa các bit chẵn lẻ không có trong các lần phát trước. 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. Các Hình 3.11 cho thấy thí dụ về sử dụng HARQ sử dụng mã turbo cơ sở tỷ lệ mã r=1/3 cho kết hợp phần dư tăng. Trong lần phát đầu gói bao gồm tất cả các bit thông tin cùng với một số bit chẵn lẻ được phát. Đến lần phát lại chỉ các bit chẵn lẻ khác với các bit chẵn lẻ được phát trong gói trước là được phát. Kết hợp gói phát trước và gói phát sau cho ra một gói có nhiều bit dư để sửa lỗi hơn và vì thế đây là sơ đồ kết hợp phần dư tăng. Hình 3.11. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo 3.4.4. Kiến trúc Từ các phần trên ta thấy rằng các kỹ thuật HSDPA dựa trên thích ứng nhanh đối với các thay đổi nhanh trong các điều kiện kênh. Vì thế các kỹ 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 duy trì tối đa sự phân chia chức năng giữa các lớp và các nút của R3. 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, MA-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 cho phép HSDPA đối với các người sử dụng, HSDPA chủ yếu tác động lên nút B (Hình 3.12). Hình 3.12. 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 ràng. 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. Cấu trúc kênh tổng thể của HSDPA kết hợp WCDMA được cho trên Hình 3.13. Hình 3.13. Cấu trúc kênh HSDPA kết hợp WCDMA Dưới đây ta tổng kết chức năng của các kênh trong HSDPA: HS-DSCH (High Speed- Downlink Shared Channel) là kênh truyền tải được sắp xếp lên nhiều kênh vật lý HS-PDSCH để truyền tải lưu lượng gói chia sẻ cho nhiều người sử dụng, trong đó mỗi HS-PDSCH có hệ số trải phổ không đổi và bằng 16. Cấu hình cực đại của HS-DSCH là 15SF16 (tương ứng với tốc độ đỉnh khi điều chế 16QAM và tỷ lệ mã 1/1 là 14,4Mbps). Các người sử dụng chia sẻ HS-DSCH theo số kênh vật lý HS-PDSCH (số mã với SF=16) và khoảng thời gian truyền dẫn TTI=2ms. HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel) sử dụng hệ số trải phổ 128 và có cấu trúc thời gian dựa trên một khung con có độ dài 2ms bằng độ dài của HS-DSCH. Các thông tin sau đây được mang trên HS-SCCH: Số mã định kênh Sơ đồ điều chế Kích thước khối truyền tải Gói được phát là gói mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC Phiên bản dư Phiên bản chùm tín hiệu Khi HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo thời gian, chỉ cần lập cấu hình một HS-SCCH, nhưng kho HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo mã thì cần có nhiều HS-SCCH hơn. Một UE có thể xem xét được nhiều nhất là 4 HS-SCCH tùy vào cấu hình được lập bởi hệ thống. HS-DPCCH (High Speed- Dedicated Physical Control Channel) đường lên có hệ số trải phổ 256 và cấu trúc từ 3 khe 2ms chứa các thông tin sau đây: Thông tin phản hồi (CQI: Channel Quality Indicator: chỉ thị chất lượng kênh) để báo cho bộ lập biểu nút B về tôc độ số liệu mà UE mong muốn ACK/NAK (công nhận và phủ nhận) cho HARQ DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) đi cùng với HS-DPCCH đường lên chứa các thông tin giống như ở R3. F-DPCH (Fractional- Dedicated Physical Channel) đường xuống có hệ số trải phổ 256 chứa thông tin điều khiển công suất cho 10 người sử dụng để tiết kiệm tài nguyên mã trong truyền dẫn gói 3.4.5. HSDPA MIMO MIMO là một trong tính năng mới được đưa vào R7 để tăng các tốc độ số liệu đỉnh thông qua truyền dẫn luồng. Nói một cách chặt chẽ, MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một cách thể hiện tổng quát sự sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và phía thu. Nhiều anten có thể được sử dụng để tăng độ lợi phân tập và vì thế tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu tại máy thu. Tuy nhiên thuật ngữ này thường được sử dụng để biểu thị truyền dẫn nhiều lớp hay nhiều luồng như là một phương tiện để tăng tốc độ số liệu đến mức cực đại có thể trong một kênh cho trước. Vì thế MIMO hay ghép kênh không gian có thể nhìn nhận như là một công cụ để cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối giống như một ‘bộ khuếch đại tốc độ số liệu’. Về bản chất, cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối ở một mức độ nhất định sẽ dẫn đến tăng thông lượng hệ thống. Các sơ đồ MIMO được thiết kế để khai thác một số thuộc tính của môi trường truyền sóng vô tuyến nhằm đạt được các tốc độ số liệu cao bằng cách phát đi nhiều luồng số liệu song song. Tuy nhiên để đạt được các tốc độ số liệu cao như vậy, cần đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao tương ứng tại máy thu. Vì thế ghép kênh không gian chủ yếu được áp dụng cho các ô nhỏ hơn hay vùng gần với nút B, nơi mà thông thường tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao. Trong trường hợp không thể đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu đủ cao, nhiều anten thu mà UE có năng lực MIMO được trang bị có thể được sử dụng cho phân tập thu cho một luồng phát đơn. Vì thế một UE có năng lực MIMO sẽ đảm bảo tốc độ số liệu cao hơn tại biên ô trong các ô lớn so với một UE tương ứng chỉ có một anten. HSDPA MIMO hỗ trợ truyền dẫn hai luồng. Mỗi luồng được xử lý lớp vật lý như nhau (mã hóa, trải phổ và điều chế giống như trường hợp HSDPA một lớp). Sau mã hóa, trải phổ và điều chế, tiền mã hóa tuyến tính dựa trên các trọng số phản hồi từ UE được sử dụng trước khi luồng số được sắp xếp lên hai anten (Hình 3.14). Hình 3.14. Sơ đồ MIMO 2x2 Sơ đồ trên cũng có thể hoạt động trong chế độ truyền dẫn một luồng. Trong trường hợp này chỉ có một luồng số liệu là được mã hóa và được truyền đồng thời trên cả hai anten giống như trường hợp phân tập phát vòng kín của WCDMA. Sơ đồ MIMO với hai chế độ này được gọi là D-TxAA (Dual Transmit Adaptive Array: dàn thích ứng phát kép). Trong môi trường di động thực tế chế độ hai luồng được sử dụng khi UE gần trạm gốc (đường truyền có chất lượng tốt) và một luồng được sử dụng khi UE xa trạm gốc (đường truyền có chất lượng xấu). Việc đưa vào MIMO sẽ ảnh hưởng chủ yếu lên quá trình xử lý lớp vật lý; ảnh hưởng lên lớp giao thức là nhỏ và các lớp trên chủ yếu nhìn MIMO như là một tốc độ số liệu cao hơn. 3.4.6. Tăng tốc độ đỉnh bằng việc sử dụng MIMO và điều chế bậc cao 16QAM/64QAM Bảng 4.2 cho thấy quá trình tăng tốc độ đỉnh HSDPA bằng việc sử dụng MIMO kết hợp với điều chế bậc cao 16QAM/64QAM đối với các loại đầu cuối UE khác nhau. Bảng 4.2. Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau Thể loại Số mã Điều chê MIMO Tỷ lệ mã hóa Tốc độ bit đỉnh (Mbps) Phát hành của 3GPP 12 5 QPSK - 3/4 1,8 R5 5/6 5 16QAM - 3/4 3,6 R5 7/8 10 16QAM - 3/4 7,2 R5 9 15 16QAM - 3/4 10,1 R5 10 15 16QAM - Gần 1/1 14,0 R5 13 15 64QAM - 5/6 17,4 R7 14 15 64QAM - Gần 1/1 21,1 R7 15 15 16QAM 2x2 5/6 23,4 R7 16 15 16QAM 2x2 Gần 1/1 28 R7 3.5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN (HSUPA) Cốt lõi của HSUPA cũng sử dụng hai công nghệ cơ sở như HSDPA: lập biểu nhanh và HARQ nhanh với kết hợp mềm. Cũng giống như HSDPA, HSUPA sử dụng khoảng thời gian ngắn 2ms cho TTI đường lên. Các tăng cường này được thực hiện trong WCDMA thông qua một kênh truyền tải mới, E-DCH (Enhanced Dedicated Channel: kênh riêng tăng cường). Mặc dù sử dụng các công nghệ giống HSDPA, HSUPA cũng có một số khác biệt căn bản so với HSDPA và các khác biệt này ảnh hưởng lên việc thực hiện chi tiết các tính năng: Trên đường xuống, các tài nguyên chia sẻ là công suất và mã đều được đặt trong một nút trung tâm (nút B). Trên đường lên, tài nguyên chia sẻ là đại lượng nhiễu đường lên cho phép, đại lượng này phụ thuộc vào công suất của nhiều nút nằm phân tán (các nút UE) Trên đường xuống bộ lập biểu và các bộ đệm phát được đặt trong cùng một nút, còn trên đường lên bộ lập biểu được đặt trong nút B trong khi đó các bộ đệm số liệu được phân tán trong các UE. Vì thế các UE phải thông báo thông tin về tình trạng bộ đệm cho bộ lập biểu Đường lên WCDMA và HSUPA không trực giao và vì thế xẩy ra nhiễu giữa các truyền dẫn trong cùng một ô. Trái lại trên đường xuống các kênh được phát trực giao. Vì thế điều khiển công suất quan trọng đối với đường lên để xử lý vấn đề gần xa. E-DCH được phát với khoảng dịch công suất tương đối so với kênh điều khiển đường lên được điều khiển công suất và bằng cách điều chỉnh dịch công suất cho phép cực đại, bộ lập biểu có thể điều khiển tốc độ số liệu E-DCH. Trái lại đối với HSDPA, công suất phát không đổi (ở mức độ nhất định) cùng với sử dụng thích ứng tốc độ số liệu. Chuyển giao được E-DCH hỗ trợ. Việc thu số liệu từ đầu cuối tại nhiều ô là có lợi vì nó đảm bảo tính phân tập, trong khi đó phát số liệu từ nhiều ô trong HSDPA là phức tạp và chưa chắc có lợi lắm. Chuyển giao mềm còn có nghĩa là điều khiển công suất bởi nhiều ô để giảm nhiễu gây ra trong các ô lân cận và duy trì tương tích ngược với UE không sử dụng E-DCH Trên đường xuống, điều chế bậc cao hơn (có xét đến hiệu quả công suất đối với hiệu quả băng thông) được sử dụng để cung cấp các tốc độ số liệu cao trong một số trường hợp, chẳng hạn khi bộ lập biểu ấn định số lượng mã định kênh ít cho truyền dẫn nhưng đại lượng công suất truyền dẫn khả dụng lại khá cao. Đối với đường lên tình hình lại khác; không cần thiết phải chia sẻ các mã định kênh đối với các người sử dụng khác và vì thể thông thường tỷ lệ mã hóa kênh thấp hơn đối với đường lên. Như vậy khác với đường lên điều chế bậc cao ít hữu ích hơn trên đường lên trong các ô vĩ mô và vì thế không được xem xét trong phát hành đầu của HSUPA. 3.5.1. Lập biểu Đối với HSUPA, bộ lập biểu là phần tử then chốt để điều khiển khi nào và tại tốc độ số liệu nào một UE được phép phát. Đầu cuối sử dụng tốc độ càng cao, thì công suất thu từ đầu cuối tại nút B cũng phải càng cao để đảm bảo tỷ số Eb/N0 (Eb=Pr/Rb, Pr là công suất thu tại nút B còn Rb là tốc độ bit được phát đi từ UE) cần thiết cho giải điều chế. Bằng cách tăng công suất phát, UE có thể phát tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên do đường lên không trực giao, nên công suất thu từ một UE sẽ gây nhiễu đối với các đầu cuối khác. Vì thế tài nguyên chia sẻ đối với HSUPA là đại lượng công suất nhiễu cho phép trong ô. Nếu nhiễu quá cao, một số truyền dẫn trong ô, các kênh điều khiển và các truyền dẫn đường lên không được lập biểu có thể bị thu sai. Trái lại mức nhiễu quá thấp cho thấy rằng các UE đã bị điều chỉnh thái quá và không khai thác hết toàn bộ dung lượng hệ thống. Vì thế HSUPA sử dụng bộ lập biểu để cho phép các người sử dụng có số liệu cần phát được phép sử dụng tốc độ số liệu cao đến mức có thể nhưng vẫn đảm bảo không vượt quá mức nhiễu cực đại cho phép trong ô. Nguyên lý lập biểu HSUPA được cho trên Hình 3.15. Hình 3.15. Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B Khác với HSDPA, bộ lập biểu và các bộ đệm phát đều được đặt tại nút B, số liệu cần phát được đặt tại các UE đối với đường lên. Tại cùng một thời điểm bộ lập biểu đặt tại nút B điều phối các tích cực phát của các UE trong ô. Vì thế cần có một cơ chế để thông báo các quyết định lập biểu cho các UE và cung cấp thông tin về bộ đệm từ các UE đến bộ lập biểu. Chương trình khung HSUPA sử dụng các cho phép lập biểu phát đi từ bộ lập biểu của nút B để điều khiển tích cực phát của UE và các yêu cầu lập biểu phát đi từ UE để yêu cầu tài nguyên. Các cho phép lập biểu điều khiển tỷ số công suất giữa E-DCH và hoa tiêu được phép mà đầu cuối có thể sử dụng; cho phép lớn hơn có nghĩa là đầu cuối có thể sử dụng tốc độ số liệu cao hơn nhưng cũng gây nhiễu nhiều hơn trong ô. Dựa trên các kết quả đo đạc mức nhiễu tức thời, bộ lập biểu điều khiển cho phép lập biểu trong từng đầu cuối để duy trì mức nhiễu trong ô tại mức quy định (Hình 3.16). Trong HSDPA, thông thường một người sử dụng được xử lý trong một TTI. Đối với HSUPA, trong hầu hết các trường hợp chiến lược lập biểu đường lên đặc thù thực hiên lập biểu đồng thời cho nhiều người sử dụng. Lý do vì một đầu cuối có công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất nút B: một đầu cuối không thể sử dụng toàn bộ dung lượng ô một mình. Hình 3.16. Chương trình khung lập biểu của HSUPA Nhiễu giữa các ô cũng cần được điều khiển. Thậm chí nếu bộ lập biểu đã cho phép một UE phát tại tốc độ số liệu cao trên cơ sở mức nhiễu nội ô chấp thuận được, nhưng vẫn có thể gây nhiễu không chấp nhận được đối với các ô lân cận. Vì thế trong chuyển giao mềm, ô phục vụ chịu trách nhiệm chính cho họat động lập biểu, nhưng UE giám sát thông tin lập biểu từ tất cả các ô mà UE nằm trong chuyển giao mềm. Các ô không phục vụ yêu cầu tất cả các người sử dụng mà nó không phục vụ hạ tốc độ số liệu E-DCH bằng cách phát đi chỉ thị quá tải trên đường xuống. Cơ chế này đảm bảo hoạt động ổn định cho mạng. Lập biểu nhanh cung cấp một chiến lược cho phép kết nối mềm dẻo hơn. Vì cơ chế lập biểu cho phép xử lý tình trạng trong đó nhiều người sử dụng cần phát đồng thời, nên số người sử dụng số liệu gói tốc độ cao mang tính cụm được cho phép lớn hơn. Nếu điều này gây ra mức nhiễu cao không thể chấp nhận được trong hệ thống, thì bộ lập biểu có thể phản ứng nhanh chóng để hạn chế các tốc độ số liệu mà các UE có thể sử dụng. Không có lập biểu nhanh, điều khiển cho phép có thể chậm trễ hơn và phải dành một dự trữ nhiễu trong hệ thống trong trường hợp nhiều người sử dụng hoạt động đồng thời. 3.5.2. HARQ với kết hợp mềm HARQ nhanh với kết hợp mềm được HSUPA sử dụng với mục đích cơ bản giống như HSDPA: để đảm bảo tính bền vững chống lại các sai lỗi truyền dẫn ngẫu nhiên. Sơ đồ được sử dụng giống như đối với HSDPA. Đối với từng khối truyền tải được phát trên đường lên, một bit được phát từ nút B đến UE để thông báo giải mã thành công (ACK) hay yêu cầu phát lại khối truyền tải thu bị mắc lỗi (NAK). Điểm khác biệt chính so với HSDPA bắt nguồn từ việc sử dụng chuyển giao mềm trên đường lên. Khi UE nằm trong chuyển giao mềm, nghĩa là giao thức HARQ kết cuối tại nhiều ô. Vì thế trong nhiều trường hợp số liệu truyền dẫn có thể được thu thành công tại một số nút B nhưng lại thất bại tại các nút B khác. Nhìn từ phía UE, điều này là đủ, vì ít nhất một nút B thu thành công số liệu. Vì thế trong chuyển giao mềm tất cả các nút B liên quan đều giải mã số liệu và phát ACK hoặc NAK. Nếu UE nhận được ACK ít nhất từ một nút B, UE coi rằng số liệu đã được thu thành công. HARQ với kết hợp mềm có thể được khai thác không chỉ để đàm bảo tính bền vững chống lại nhiễu không dự báo được mà còn cải thiện hiệu suất đường truyền để tăng dung lượng và (hoặc) vùng phủ. Các bit được mã hóa bổ sung chỉ được phát khi cần thiết. Vì thế tỷ lệ mã sau các lần phát lại được xác định theo tỷ lệ mã cần thiết cho điều kiện kênh tức thời. Đây cũng chính là mục tiêu mà thích ứng tốc độ cố gắng đạt được, điểm khác chính là thích ứng tốc độ cố gắng tìm ra tỷ lệ mã phù hợp trứơc khi phát. 3.5.3. Kiến trúc Để hoạt động hiệu quả, bộ lập biểu phải có khả năng khai thác các thay đổi nhanh theo mức nhiễu và các điều kiện đường truyền. HARQ với kết hợp mềm cũng cho lợi từ các phát lại nhanh và điều này giảm chi phí cho các phát lại. Vì thế hai chức năng này phải được đặt gần giao diện vô tuyến. Vì thế cũng giống như HSDPA, các chức năng lập biểu và HARQ của HSUPA được đặt tại nút B. Ngoài ra cũng giống như đối với HSDPA, cũng cần đảm bảo giữ nguyên các lớp cao hơn lớp MAC. Vì thế mật mã, điều khiển cho phép … vẫn đặt dưới quyền điều khiển của RNC. Điều này cho phép đưa HSUPA êm ả vào các vùng được chọn lựa; trong các ô không hỗ trợ truyền dẫn E-DCH, có thể sử dụng chuyển mạch kênh để sắp xếp luồng số của người sử dụng lên DCH. Giống như triết lý thiết kế HSDPA, một thực thể MAC mới (MAC-e) được đưa vào UE và nút B. Trong nút B, MAC-e chịu trách nhiệm truyền tải các phát lại HARQ và lập biểu, còn trong UE, chiu trách nhiệm chọn lựa tốc độ số liệu trong các giới hạn do bộ lập biểu trong MAC-e của nút B đặt ra. Khi UE nằm trong chuyển giao mềm với nhiều nút B, các khối truyền tải khác nhau có thể được giải mã đúng tại các nút B khác nhau. Kết quả là một khối truyền tải có thể được thu đúng tại một nút B, trong khi đó một nút B khác vẫn tham gia và các phát lại của một khối truyền tải được phát sớm hơn. Vì thế để đảm bảo chuyển các khối truyền tải đúng trình tự đến giao thức RLC, cần có chức năng sắp xếp lại thứ tự trong RNC ở dạng một thực thể mới: MAC-es. Trong chuyển giao mềm, nhiều thực thể MAC-e được sử dụng cho một UE vì số liệu được thu từ nhiều ô. Tuy nhiên MAC-e trong ô phục vụ chịu trách nhiệm chính cho lập biểu; MAC-e trong ô không phục vụ chủ yếu xử lý giao thức HARQ (Hình 3.17). Hình 3.17. Kiến trúc mạng được lập cấu hình E-DCH (và HS-DSCH). Hình 3.18. cho thấy các kênh cần thiết cho HSUPA. E-DCH được sắp xếp lên một tập các mã định kênh đường lên được gọi là các kênh số liệu vật lý riêng của E-DCH (E-DPDCH). Phụ thuộc vào tốc độ số liệu tức thời, số các E-DPDCH và các hệ số trải phổ có thể thay đổi. Ngoài kênh số liệu E-DCH còn có các kênh báo hiệu cho nó như sau. Các kênh E-AGCH (E-DCH Absolute Grant Channel: kênh cho phép tuyệt đối của E-DCH) và E-RGCH (E-DCH Relative Grant Channel: kênh cho phép tương đối của E-DCH) là các kênh hỗ trợ cho điều khiển lập biểu. Kênh E-HICH (E-DCH HARQ Indicator Channel: kênh chỉ thị HARQ của E-DCH) là kênh hỗ trợ cho phát lại sử dụng cơ chế HARQ. Hình 3.18. Các kênh cần thiết cho một UE có khả năng HSUPA Không như HSDPA, HSUPA không hỗ trợ điều chế thích ứng vì nó không hỗ trợ các sơ đồ điều chế bậc cao. Lý do là các sơ đồ điều chế bậc cao phức tạp hơn và đòi hỏi phát nhiều năng lượng trên một bit hơn, vì thể để đơn giản đường lên sử dụng sơ đồ điều chế BPSK kết hợp với truyền dẫn nhiều mã định kênh song song. Tổng kết các kênh đường lên cần thiết cho hoạt động của E-DCH được minh họa trên Hình 3.19 cùng với các kênh sử dụng cho HSDPA. Các kênh mới được đưa vào cho HSUPA được thể hiện bằng các đường đứt nét Hình 3.19. Cấu trúc kênh tổng thể với HSDPA và HSUPA. Vì đường lên không trực giao theo thiết kế, nên cần thiết điều khiển công suất nhanh để xử lý vấn đề gần xa. E-DCH không khác với mọi kênh đường lên khác và vì thế công suất được điều khiển theo cách giống như các kênh đường lên khác. Nút B đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu và phát đi các lệnh điều khiển công suất trên đường xuống đến UE để điều chỉnh công suất phát của UE. Các lệnh điều khiển công suất có thể được phát bằng cách sử dụng DPCH hay để tiết kiệm các mã định kênh bằng F-DPCH. Dưới đây ta tổng kết các kênh của HSUPA: E-DPCH bao gồm hai kênh truyền đồng thời: E-DPDCH và DPCCH. EDPDCH có hệ số trải phổ khả biến từ 2 đến 256 với cấu hình cực đại 2xSF2+2SF4 (tốc độ số liệu đỉnh bằng 5,76 Mbps với tỷ lệ mã hóa 1/1). Khoảng thời gian truyền dẫn (TTI) của E-DPDCH có thể là 2ms (tốc độ số liệu lớn hơn 2Mbps) hoặc 10ms (tốc độ số liệu bằng hoặc dưới 2Mbps). DPCCH truyền đồng thời với E-DPDCH chứa các thông tin hoa tiêu và điều khiển công suất (TPC). E-DPCCH là kênh vật lý mới đường lên tồn tại song song với E-DPDCH để truyền thông tin ngoài băng liên quan đến truyền dẫn E-DPDCH. E-DPCCH có hệ số trải phổ 256 chứa các thông tin sau: E-TFCI (Enhanced-Transport Format Combination Indicator: chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải) để thông báo cho máy thu nút B về kích thước khối truyền tải được mang trên các E-DPDCH. Từ thông tin này máy thu rút ra số kênh E-DPDCH và hệ số trải phổ được sử dụng Số thứ tự phát lại (RSN: Retransmission Sequence Number) để thông báo về số thứ tự của khối truyền tải hiện thời được phát trong chuỗi HARQ. Bit hạnh phúc để thông báo rằng UE có hài lòng với tốc độ hiện thời (công suất tương đối ấn định cho nó) hay không và nó có thể sử dụng được ấn định công suất cao hơn hay không. HICH (HARQ Indicator Channel: kênh chỉ thị HARQ) là kênh vật lý đường xuống để truyền ACK hoặc NAK cho HARQ. E-RGCH (E-DCH Relative Grant Channel: kênh cho phép tương đối E-DCH) là kênh vật lý đường xuống mới để phát lệnh tăng/giảm một nấc công suất của lập biểu (thường chỉ 1dB) so với giá trị tuyệt đối được ấn định bởi kênh E-AGCH. E-RGCH được sử dụng cho các điều chỉnh nhỏ trong khi đang xẩy ra truyền số liệu. 20E-RGCH được ghép chung với 20HICH trên cơ sở 40 chữ ký vào một DPDCH có mã định kênh với hệ số trải phổ 128 E-AGCH (E-DCH Absolute Grant Channel: kênh cho phép tuyệt đối) là kênh vật lý đường xuống mới có mã định kênh với hệ số trải phổ 128 để chỉ thị mức công suất chính xác của E-DPDCH so với DPCCH. E-AGCH chứa: Giá trị cho phép tuyệt đối chỉ thị tỷ số công suất E-DPDCH/DPCCH mà UE có thể sử dụng Phạm vi cho phép tuyệt đối để cho phép hoặc cấm UE phát theo HARQ Số nhận dạng UE sơ/thứ cấp cho phép UE xác định kênh E-AGCH này có dành cho nó hay không 3.5.4. Các loại đầu cuối HSUPA Có sáu loại đầu cuối HSUPA trong R6 với tốc độ đỉnh từ 0,72Mbps đến 5.76Mbps. Bảng liệt kê các khả năng của các loại đầu cuối HSUPA trong R6. Bảng 4.3. Các loại đầu cuối R6 HSUPA Thể loại Số mã cực đại sử dụng đồng thơi cho E-DPCH TTI được hỗ trợ Hệ số trải phổ E-DPCH thấp nhất Tốc độ số liệu đỉnh lớp 1 với TTI=10ms Tốc độ số liệu đỉnh lớp 1 với TTI=2ms 1 1 10 4 0,72 N/A* 2 2 2,10 4 1,45 1,45 3 2 10 4 1,45 N/A 4 2 2, 10 2 2 2,91 5 2 10 2 2 N/A 6 4 (2SF4+2SF2) 2,10 2 2 5,76 * N/A: không áp dụng Như vậy R6 có thể có ba loại thiết bị: Thiết bị chỉ cho DCH Thiết bị có khả năng cả DCH và HSDPA Thiết bị có khả năng cả DCH, HSDPA và HSUPA 4.6. CHUYỂN GIAO TRONG HSDPA Trong HSDPA chỉ có chuyển giao cứng. Tồn tại các kiểu chuyển giao sau đây trong HSDPA: Chuyển giao trong cùng một RNC Chuyển giao giữa các RNC Chuyển giao từ kênh HS-DSCH sang DCH Để thực hiện chuyển giao UE phải báo cho SRNC về ô tốt nhất. Trông phần dưới đây ta sẽ xét quá trình xác định ô tốt nhất. 4.6.1. Xác định ô tốt nhất và chuyển giao Quá trình xác định ô (đoạn ô) tốt nhất và chuyển giao được mô tả trên Hình 3.20. Hình 3.20. Sự kiện đo và báo cáo ô (đoạn ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất Dựa trên kết quả đo Ec/I0 trên kênh P-CPICH của các ô nằm trong tập tích cực của chuyển giao mềm đường lên (thậm chí có thể cả các ô hay đoạn ô nằm trong tập ứng cử), UE báo cáo ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất cho SRNC để nó quyết định chuyển giao cứng cho HS-DSCH. Hình 3.20 cho thấy ô 2 (đoạn ô) là ô được chọn và sau khoảng thời gian DT+DD thì HS-DSCH ô 1 được chuyển sang ô 2. 4.6.2. Chuyển giao HS-DSCH giữa các ô (hay đoạn ô) trong cùng một RNC Quá trình chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô của cùng một nút B được minh họa trên Hình 3.21. Sau khi quyết định chuyển giao, SRNC gửi bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến đã được đồng bộ đến các nút liên quan B và đồng thời gửi bản tin RRC về đặt lại cấu hình kênh vật lý đến UE để chúng thực hiện chuyển giao. Quá trình chuyển giao từ nút B này sang nút B khác thuộc cùng một RNC cũng xẩy ra tương tự. Hình 3.21. Chuyển giao HS-DSCH giữa hai đoạn ô thuộc cùng một nút B 4.6.3. Chuyển giao HS-DSCH giữa hai các ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau Quá trình chuyển giao HS-DSCH giữa hai ô (đoạn ô) thuộc hai RNC khác nhau được minh họa trên Hình 3.22. Sau khi SRNC đã quyết định chuyển giao, nó gửi bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến đã được đồng bộ đến các nút B liên quan và đồng thời gửi bản tin RRC đặt lại cấu hình kênh vật lý đến UE để thực hiện chuyển giao. Trong trường hợp này bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến được SRNC gửi đến nút B đích thông qua DRNC. Hình 3.22. Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô thuộc hai RNC khác nhau 4.6.4. Chuyển giao HS-DSCH sang ô chỉ có DCH Hình 3.23 minh họa quá trình chuyển giao HS-DSCH từ ô (đoạn ô) có HS-DSCH sang một nút B chỉ có DCH. Sau khi SRNC đã quyết định chuyển giao, nó gửi bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến đã được đồng bộ đến các nút B liên quan và đồng thời gửi bản tin RRC về đặt lại cấu hình kênh vật lý đến người sử dụng để chúng thực hiện chuyển giao. Trong trường hợp này bản tin đặt lại cấu hình liên kết vô tuyến được SRNC gửi đến nút B đích thông qua DRNC Hình 3.23. Chuyển giao HS-DSCH từ nút B có HS-DSCH sang một nút B chỉ có DCH. 4.7. TỔNG KẾT HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+. HSPA là công nghệ truyền dẫn gói phù hợp cho truyền thông đa phương tiện IP băng rộng. HSDPA sử dụng kênh chia sẻ đường xuống trên cơ sở ghép nhiều kênh mã với hệ số trải phổ SF=16, trong đó tối đa số kênh mã dành cho lưu lượng lên đến 15 và một kênh mã được dành cho báo hiệu và điều khiển. HSUPA sử dụng kênh tăng cường E-DCH để truyền lưu lượng. Cả HSDPA và HSUPA đều sử dụng truyền dẫn thích ứng trên cở sở lập biểu và HARQ. Truyền dẫn thích ứng là công nghệ trong đó tài nguyên vô tuyến dược phân bổ cho người sử dụng dựa trên tình trạng của kênh truyền sóng tức thời đến người sử dụng này: (1) nếu điều kiện truyền sóng tốt người sử dụng được phân phối nhiều tài nguyên hơn, ngược lại người này được phân phối ít tài nguyên. HSDPA sử dụng phân phối tài nguyên theo mã hoặc thời gian trong đó công suất truyền dẫn không đổi và tốc độ truyền dẫn có thể thay đổi số lượng mã, số khe được cấp phát hoặc bằng cách thay đổi sơ đồ truyền dẫn (AMC: Adaptive Modulation and Coding: mã hóa và điều chế thích ứng), còn HSUPA sử dụng phân phối tài nguyên theo công suất với điều kiện công suất được cấp phát cho mỗi máy di động không gây nhiễu cho các máy khác. Khi được cấp phát công suất cao hơn máy di động có thể truyền dẫn tốc độ cao hơn bằng cách sử dụng nhiều mã hơn cho kênh E-DCH hay giảm hệ số trải phổ SF nhưng không thay đổi sơ đồ truyền dẫn (điều chế luôn là BPSK). Cả hai HSDPA và HSUPA đều sử dụng HARQ, trong đó bản tin được yêu cầu phát lại được lưu trong bộ nhớ đệm để sau đó kết hợp với bản tin được phát lại tạo thành một bản tin tốt hơn trước khi xử lý lỗi. Cơ chế phát lại với phần dư tăng cho phép mỗi lần phát lại chỉ cần phát lại một bộ phần của phần dư chưa được phát vì thế tiết kiệm được dung lượng đường truyền. Điểm khác biệt giữa HSDPA và HSUPA là HSDPA không sử dụng điều khiển công suất và chuyển giao mềm trái lại HSUPA sử dụng cả hai kỹ thuật này, ngoài ra HSUPA chỉ sử dụng một kiểu điều chế BPSK vì thế nó không áp dụng kỹ thuật điều chế mà mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding). Cuối chương chuyển giao cứng cho HSDPA được trình bày cho. Trong HSDPA chỉ có chuyển giao cứng. Để thực hiện chuyển giao, UE phải đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh P-CPICH của tất cả các ô hoặc các đoạn ô nằm trong tập tích cực (thậm chí có thể cả trong tập ứng cử). Từ kết quả đo nó gửi báo cáo về ô tốt nhất đến SRNC. SRNC sẽ quyết định chuyển giao.