So sánh giao thức mạng thông tin di động 3g

F-CPCCH (Common Power Control Channel) F-SYNCH (Sync Channel) F-PICH (Forward Pilot Channel) F-TDPICH (Transmit Diversity Pilot Channel) F-APICH (Auxiliary Pilot Channel) F-ATDPICH (Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channel) Kênh dùng riêng F-DCCH (Forward Dedicated Control Channel) Kênh người dùng F-FCH (Forward Fundamental Channel) F-SCH (Forward Supplemental Channel) F-SCCH (Forward Supplemental Code Channel) 2.6.2. Kênh ngược  Các kênh ngược trong CDMA2000 chia làm kênh báo hiệu và kênh người dùng. Bảng 2. Kênh ngược trong CDMA2000 Kênh báo hiệu Kênh dùng chung R-ACH (Access Channel) R-EACH (Enhanced Access Channel) R-CCCH (Reverse Common Control Channel) Kênh dùng riêng R-PICH (Reverse Pilot Channel) R-DCCH (Reverse Dedicated Control Channel) Kênh người dùng R-FCH (Reverse Fundamental Channel) R-SCH (Reverse Supplemental Channel) R-SCCH (Reverse Supplemental Code Channel) 2.7. Chức năng truyền dẫn của kênh xuôi và kênh ngược 2.7.1. Chức năng truyền dẫn của kênh xuôi Hình 5 minh họa sơ đồ đơn giản của các chức năng truyền dẫn của kênh xuôi của hệ thống CDMA2000 đơn sóng mang trải phổ trực tiếp. Để đơn giản, chỉ có một số kênh xuôi vật lý được đưa ra trong hình. CDMA2000 có hai loại kênh lưu lượng – kênh cơ bản và kênh phụ. Một số tốc độ dữ liệu được hỗ trợ. Tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu, mã xoắn với tốc độ 1/2, 3/8, 1/3, hoặc 1/4 có thể được sử dụng. Cả hai loại khung 10 ms và 5 ms đều được hỗ trợ. Các biểu tượng của kênh I và kênh Q được nhân với các hệ số tích lũy (gain factor) để cung cấp thêm một số điều khiển công suất. Cũng như trong IS-95, các tế bào được phân tách bởi các độ lệch (offset) của các dãy PN hoa tiêu khác nhau (chu kì của các dãy PN này là 215 – 1 chip). Tuy nhiên, giờ đây, các phương pháp trải phổ phức được sử dụng bằng cách, đầu tiên, thêm các giá trị thực của dãy I và Q trong phép cầu phương (quadrature) để kết quả trở thành số phức và sau đó nhân nó với một số phức khác SI + jSQ, trong đó SI và SQ lần lượt là các PN hoa tiêu của kênh I và kênh Q. Kết quả của phép nhân này là một đại lượng phức có các thành phần đồng pha và vuông pha được biểu diễn ở góc dưới của hình vẽ. Với việc trải phổ phức, lối ra của bộ lọc tạo dạng sẽ bằng 0 chỉ với xác suất thấp, do đó cải thiện hiệu quả công suất. Hình 5. Sơ đồ truyền dẫn của kênh xuôi trong CDMA2000 2.7.2. Chức năng truyền dẫn của kênh ngược Hình 6. Sơ đồ truyền dẫn của kênh ngược trong CDMA2000 Sơ đồ khối chức năng của kênh ngược của hệ thống CDMA2000 trải phổ trực tiếp được biểu diễn trên hình 6. Trước tiên hãy xem xét kênh cơ bản. Dữ liệu đến trong kênh này được xử lý theo cách thông thường. Tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu người dùng, một số bit chỉ thị chất lượng khung dưới dạng CRC được thêm vào khung. Một vài bit đuôi được thêm vào để đảm bảo việc hoạt động chuẩn xác của bộ mã hóa kênh, có thể là bộ mã hóa mã xoắn hoặc mã khối. Biểu tượng mã được lặp lại, nhưng tùy thuộc vào tốc độ, một vài biểu tượng bị xóa. Lối ra của bộ ghép xen (interleaver) được trải phổ với mã Walsh, ánh xạ tới các biểu tượng điều chế, và nhân với các hệ số tích lũy (gain factor), kết quả là báo hiệu được gán nhãn Afund. Kênh phụ 1 và 2 và các kênh điều khiển được xử lý cũng theo cách đó, mặc dù chi tiết có thể khác biệt trong một số trường hợp. Ví dụ như, sự bỏ đi các biểu tượng không được thực hiện trên kênh điều khiển dành riêng. Tương tự, kênh hoa tiêu ngược R-PICH, có các chuỗi bit 0 (có giá trị thực là +1), được xử lý khác bởi vì nó không được mã hóa thành mã kênh, ghép xen theo ghép xen khối, hoặc nhân bởi mã Walsh. Tuy nhiên, một bit điều khiển công suất được thêm vào kênh hoa tiêu cho mỗi nhóm điều khiển công suất hoặc 16 bit điều khiển công suất trên một khung. Đề đơn giản, bỏ qua sự lặp lại này và chủ yếu quan tâm đến lối ra sau khi xử lý của các kênh này là Asub1, Asub2, Acont, and Apilot. Kênh cơ bản và kênh phụ 1 được hợp lại tạo ra lối ra Q. Tương tự, các kênh còn lại được tập hợp riêng biệt, cho lối ra I. Chú ý rằng trong trường hợp này, các dãy kênh I và Q tạo nên bởi mã hóa QPSK là độc lập với nhau bởi vì nó được tạo ra từ các kênh khác nhau và không phải bởi việc chia dòng dữ liệu của một kênh thành hai dòng phụ. Các chuỗi I và Q được trải phổ bởi mã phức dưới dạng SI + jSQ, trong đó SI và SQ là do người dùng định nghĩa bởi vì nó được lấy từ mã mặt nạ 42-bit gán cho mỗi người dùng, các dãy PN hoa tiêu kênh I và kênh Q, và mã Walsh. 2.8. Sự khác biệt giữa CDMA2000 và cdmaOne CDMA2000 là sự mở rộng của cdmaOne, sự mở rộng này có thể dễ dàng nhận thấy trong thực tế khi các người dùng CDMA2000 và người dùng cdmaOne có thể cùng tồn tại trong cùng một sóng mang. Mặc dù CDMA2000 tương thích với cdmaOne, có nhiều điểm khác biệt giữa CDMA2000 và cdmaOne. Vì yêu cầu của 3G và CDMA2000 là thu phát ở tốc độ dữ liệu cao hơn, nên hai điểm khác biệt cơ bản cần thiết để cho phép tốc độ dữ liệu ở mức 144 kbps hoặc cao hơn là sự cải thiện về báo hiệu và sự cải thiện về truyền dẫn. Báo hiệu Để thực hiện dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao, CDMA2000 cần nhận và giải phóng tài nguyên với hiệu suất cao và công nghệ báo hiệu hiệu quả là cần thiết. Các kỹ thuật báo hiệu mới này bao gồm: Trên kênh xuôi, có các kênh vật lý báo hiệu/tiêu đề mới. Đó là các kênh F-QPCH (Quick Paging Channel), F-CCCH (Common Control Channel), F-BCCH(Broadcast Control Channel), F-CPPCCH (Common Power Control Channel), và F-CACH (Common Assignment Channel). Trên kênh ngược, có các kênh vật lý báo hiệu/tiêu đề mới. Đó là các kênh R-DCCH (Dedicated Control Channel), R-EACH (Enhanced Access Channel), và R-CCCH (Common Control Channel). Trên kênh ngược, có các bản tin báo hiệu ngắn hơn. CDMA2000 có thể truyền các khung ngắn hơn 5 ms trên R-EACH. Điều này làm giảm xác suất xung đột dữ liệu. Trên kênh xuôi, CDMA2000 cũng có thể truyền các bản tin báo hiệu ngắn hơn. Nó có thể sử dụng các khung ngắn hơn 5 ms trên kênh xuôi cơ bản (Forward Fundamental Channel) cho mục đích này. Thêm vào đó, một thiết bị di động CDMA2000 có thể nằm ở một trong nhiều mode hoạt động khác nhau để cung cấp việc truyền dữ liệu gói lớn và để bảo vệ tài nguyên. Truyền dẫn Một dung lượng đường truyền trên không cao hơn là rất cần thiết cho việc thực thi dữ liệu gói tốc độ cao, và nhiều thay đổi đã được thực hiện để cải thiện dung lượng đường truyền trên không so với cdmaOne. Các thay đổi này còn được thực hiện để tác động đến việc sử dụng hiệu quả tài nguyên. Một vài thay đổi đáng kể là: Kênh F-SCH (Forward Supplemental Channel) và R-SCH (Reverse Supplemental Channel) được thêm vào để truyền dẫn dữ liệu người dùng tốc độ cao. Đường ngược có kênh R-PICH (Reverse Pilot Channel) để hỗ trợ việc điều chế trên đường ngược. Đường lên giờ đây có điều khiển công suất vòng đóng nhanh (so sánh với điều khiển công suất chậm hơn trong cdmaOne). Nhóm điều khiển công suất được truyền trên kênh R-PICH để tăng cường điều khiển công suất vòng đóng nhanh trên đường lên. Bên cạnh việc điều khiển công suất kênh lưu lượng, CDMA2000 cũng có thể điều khiển công suất kênh báo hiệu. Các cải tiến trong việc truyền dẫn khác bao gồm việc thực thi khóa dịch pha trực giao QPSK hiệu quả hơn trong điều chế và việc sử dụng mã khối hiệu quả hơn cho việc truyền dẫn tốc độ cao. 2.9 Những tương đồng chủ yếu giữa CDMA2000 1X và WCDMA Những tương đồng giữa CDMA2000 1X và WCDMA. Release 99 được giới thiệu trong bảng3. Một lần nữa, so sánh này chỉ xem xét những khái niệm lõi cơ bản của mỗi giao diện vô tuyến CDMA và không bao gồm tất cả chi tiết và bộ thông số, điển hình phân biệt các hệ hống được những cơ quan lập tiêu chuẩn khác nhau định nghĩa. Các tiêu chuẩn CDMA2000 và WCDMA gồm danh sách không đầy đủ sau đây của các công nghệ tiến hóa mới quan trọng để nâng cao năng suất của cả hai tiêu chuẩn này: Bảng 3. Những điểm tương đồng giữa CDMA2000 1X và WCDMA Một số những tiến hóa mới này là thiết yếu cho các hoạt động của các tiêu chuẩn CDMA20001X và WCDMA release 99 được miêu tả dưới đây. Các mã số trực giao có chiều dài thay đổi Cả hai tiêu chuẩn CDMA2000 1X VÀ WCDMA đều được thiết kế để phục vụ người dung thoại và dữ liệu. Việc truyền những gói dữ liệu có thể thực hiện bằng cách dùng những tốc độ dữ liệu tương đối thấp vào khoảng 8kbit/s. Việc truyền những gói dữ liệu chủ yếu dùng một tốc độ càng cao càng tốt tùy theo các điều kiện kênh, để giảm thiểu độ chờ. Thay đổi chiều dài của mã trực giao làm thay đổi thực sự hệ số trải phổ và do đó làm thay đổi tốc độ dữ liệu của kênh vô tuyến CDMA. Vì tốc độ mã trực giao thường là cố định, có thể nói rằng những mã số ngắn hơn cho phép những tốc độ dữ liệu cao hơn. Nếu những điều kiện của kênh là tốt, liên kết vô tuyến có thể hỗ trợ một tốc độ dữ liệu cao hơn, được cung cấp bằng chuyển mạch sang một mã trực giao ngắn hơn. Tuy nhiên, chỉ định một mã số ngắn nào đó làm cho những mã số dài hơn ở dưới chúng trong cây mã lập kênh không trực giao (không dùng được). Do đó, phân bổ và khả năng sử dụng tất cả mã phải được theo dõi và tối ưu hóa mạnh mẽ. Hình 7. Các mã phân kênh trực giao có chiều dài thay đổi QUALCOMM đã phát triển những kỹ thuật phân bố cơ bản cho phép sử dụng hiệu quả những mã trực giao có chiều dài thay đổi. Những mã số này là một tính năng trong cả hai tiêu chuẩn CDMA2000 và WCDMA. Điều này đặc biệt quan trọng để quản lý các dịch vụ hỗn hợp thoại và dữ liệu. Khi những dịch vụ không phải thoại trở thành một dòng doanh thu quan trọng đối với những nhà khai thác, quản lý toàn bộ mạng thoại cũng trở nên quan trọng để cung cấp một hiệu quả sử dụng hài lòng. Trải phổ phức hợp liên kết ngược Vì các thiết bị di động CDMA2000 và WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác nhau, những kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận được bởi một trạm gốc không được lý tưởng. Qualcomm đưa ra một kỹ thuật trải phức tạp sử dụng nhân phức tạp các nhánh I và Q với những mã số PN để làm giảm nhiễu sinh ra khi các mã trực giao khác nhau được giải điều chế với một tham khảo pha của máy thu không – lý tưởng. Mô hình trải phổ phức hợp này rất khác với dạng trải phổ trước đó và dạng điều chế được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến và được chỉ ra trong Hình 8. Không có trải phổ và mã hóa phức tạp, các tín hiệu I và Q sẽ bị lọc trực tiếp và được đưa vào bộ điều chế I/Q. Hình 8. Cấu trúc phân kênh liên kết ngược với trải phổ phức hợp Nhắn tin liên kết xuôi Để bảo vệ tuổi thọ pin, thiết bị di động “ngủ” (ở trong chế độ tắt máy) theo chu kỳ trong những khoảng thời gian ngắn (khoảng vài giây) cho đến lúc chúng phải “thức dậy” và nghe bản tin mạng để xem có cần nhận và xử lý một cuộc gọi nào hay không. Trong những hệ thống cdmaOne, mỗi thiết bị di động đã “thức dậy” để nghe nhắn tin trong lúc khe nhắn tin đã được chỉ định cho nó. Nhắn tin có thể đã báo tin cho thiết bị di động rằng nó đã nhận được một cuộc gọi. Sau mỗi chu trình khe nhắn tin, thiết bị di động sẽ trở lại chế độ”ngủ” của nó để bảo toàn công suất pin. QUALCOMM đã phát triển một cải tiến cho nhắn tin liên kết xuôi để gửi một dấu hiện ngắn (ví dụ 1 - 2 bit) để làm cho thiết bị di động phải thức dậy để nghe một nhắn tin hoặc tiếp tục “ngủ”. Tiết kiệm công suất pin được thực hiện nhờ tính năng bổ sung này. Nhắn tin liên kết xuôi là thông thường cho tất cả giao diện vô tuyến kiểu di động, gồm cả CDMA2000 và WCDMA. Đối với người tiêu dùng lợi ích là thời gian nói lâu hơn và ít lần sạc pin ít thường xuyên hơn. Những đặc điểm độc lập của CDMA2000 1X và WCDMA Những đặc điểm này ảnh hưởng đến thực hiện hệ thống, thông số của hệ thống và có thể ảnh hưởng đến những đặc điểm về năng suất. Tuy nhiên, dù có khác biệt, mỗi hệ thống phải bao gồm nhiều công nghệ cơ bản chung (Bảng 4) Bảng 4: Những đặc điểm độc lập của CDMA2000 1X và WCDMA Băng thông danh định Tiêu chuẩn CDMA2000 đã được thiết kế để được vận hành với một băng thông là 1,25 MHz tương tự như cdmaOne, trong khi WCDMA được thiết kế để vận hành trong một kênh 5MHz. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng đến năng suất tổng cộng của hệ thống và cả 2 công nghệ đều cung cấp những dung lượng tương tự khi được chuẩn hóa trong những băng thông tương tự. Ngoài việc sử dụng kỹ thuật băng tần trải phổ dãy trực tiếp, các hệ thống CDMA2000 còn có thể chỉ định ba sóng mang 1,25 MHz cho một băng thông 5 MHz (3X). Trong kỹ thuật này, nhiều sóng CDMA2000 trải phổ trực tiếp (sóng mang 1,25 MHz) được kết hợp lại để tạo ra một tín hiệu CDMA giải rộng hỗn hợp (5MHz). Phân biệt sóng mang điển hình là 1,25 MHz. Cách tiếp cận nhiều sóng mang tương tự này có thể được dùng để chỉ định đến 15 sóng mang CDMA2000 trong một băng thông 20MHz. Tốc độ chip Vì băng thông danh định của WCDMA (5MHz) rộng hơn CDMA2000 (1,25MHz), tốc độ chip tương ứng cũng cao hơn. Tốc độ chip của WCDMA được chọn là 3,84 Mchip/s trong khi CDMA2000 dùng 1,2288 Mchip/s để giúp thực hiện tương thích ngược với các hệ thống cdmaOne. Đồng bộ hóa mạng Các mạng cdmaOne và CDMA2000 đều được đồng bộ hóa, nghĩa là tất cả trạm gốc đều có một định thời (Timing) chung. Cách dễ nhất để đồng bộ hóa các trạm gốc là dùng một hệ thống định thời dựa trên vệ tinh như GPS (vệ tinh định vị toàn cầu). WCDMA cho phép các trạm gốc của nó hoạt động không đồng bộ, độc lập với yêu cầu định thời GPS, mặc dù những hệ thống này cũng có lựa chọn bao gồm định thời đồng bộ. Bộ mã hoá tiếng nói Thiết bị CDMA tiếp tục duy trì tính tương thích ngược với những thiết bị cdmaOne hiện có bằng cách dùng một bộ mã hoá có tốc độ thay đổi (1/8, ¼, ½ , 1) nâng cao dữ liệu để biến đổi tiếng nói thành những tín hiệu truyền thông. Để duy trì tính tương thích ngược với các bộ mãhoá tiếng nói GSM, thiết bị WCDMA dùng một bộ mã hoá tiếng nói dạng tắt/ mở (on/off) . Mạng lõi Giống như các hệ thống có trước như AMPS, TDMA, và cdmaOne, CDMA2000 tiếp tục giao tiếp với mạng lõi ANSI-41, cộng thêm khả năng giao diện với mạng lõi GSM_MAP và IP. WCDMA chỉ giao diện với các mạng lõi GSM-MAP vì nó được thiết kế để làm tiến hóa các mạng GSM mặc dù một bộ tiêu chuẩn đã được phát triển để cho phép WCDMA dùng mạng lõi ANSI-41 và CDMA2000 dùng mạng lõi GSM-MAP đã không được triển khai thuơng mại. Mạng lõi CDMA2000 gồm 2 phần, một phần giao diện với các mạng bên ngoài như PSTN và một phần giao diện với mạng IP. Phần giao diện với PSTN hỗ trợ những thông điệp và giao thức được định nghĩa trong tiêu chuẩn IS-41. Phần giao diện với mạng IP hỗ trợ tiêu chuẩn mạng IP vô tuyến IS-835, và còn được gọi là mạng lõi gói (PCN). CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ HSDPA Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao(HSDPA) là một tính năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA-FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di ddoongj3.5G, HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh trên 10Mbps đối với lưu lượng gói đường xuống. Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch vụ hiện có, và đạt chi phí thấp nhất. Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của WCDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP, với các tính năng tiên tiến bao gồm:1,điều chế và mã hóa thích ứng(AMC);2,kỹ thuật phát đa mã(multi-codes);3, thích ứng liên kết;4,HARQ nhanh. Chương này tập trung phân tích các khả năng tiên tiến cũng như các giải pháp kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA. 3.1 Các đặc điểm của HSDPA Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản R5 một công nghệ mới, HSDPA, cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống và được xem như là sự phát triển mang tính cách mạng của mạng truy nhập vô tuyến WCDMA. Khái niệm HSDPA dựa trên một kênh truyền tải mới, kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao(HS-DSCH), trong đó một số lượng lớn tài nguyên và công suất được gán cho một người sử dụng tại một TTI( khoảng thời gian truyền) nào đó theo phương pháp ghép theo mã và/hoặc theo thời gian. Ngoài ra, HSDPA sử dụng điều chế và mã hóa hích nghi(Adaptive Modulation and Coding), HARQ nhanh(Hybrid Automatic Repeat Requests), và lập lịch gói nhanh(fast packet Scheduling). Những tính năng này được phối hợp chặt chẽ và cho phép thích ứng các tham số truyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến. Các lớp dịch vụ được khuyến nghị cho HSDPA bao gồm: 1) streaming; 2) tương tác; 3) và các dịch vụ cơ bản khác. Môi trường chúng ta tin tưởng sẽ được ưu tiên trong khi xem xét đầu tư nâng cấp lên HSDPA sẽ là môi trường thành phố. HS-DSCH có thể cho phép cải thiện đáng kể dung lượng cho các dịch vụ gói khi hoạt động trong cả macrocell lẫn microcell. Công nghệ 3G WCDMA hiện nay( theo R99/R4 của 3GPP) cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mbps. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống WCDMA có một số hạn chế như sau:1) không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói vốn rất phổ biến đối với đường trục hữu tuyến;2) thiết kế dịch vụ 2Mbps hiện nay là không hiệu quả và cũng chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu; 3) không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps. Do đó, R5 tiếp tục được phát triển để khắc phục những hạn chế này. R5 là một sự phát triển quan trọng của mạng vô tuyến 3G kể từ khi WCDMA được chấp nhận là công nghệ mạng vô tuyến 3G từ năm 1997. trong khi đó, các công nghệ tương đương với WCDMA/HSDPA được gọi là cdma2000-DO(data only) trong pha đầu tiên, và cdma2000-DV(data and voice) trong pha thứ hai. Chúng ta có thể tổng kết các tính năng kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA như sau 1)tương đương với cdma200 1xEV(HDR); 2) điều chế và mã hóa thích ứng;3) sóng mang tốc độ dữ liệu cao (HDRC) trong băng tần 5MHz; 4)64QAM cho phép tốc độ đỉnh xấp xỉ 10,8Mbps; 5) 16QAM hỗ trợ tốc độ đỉnh xấp xỉ 7,2Mbps; 6) mã Turbo; 7) khả năng sửa lỗi gần với giới hạn lý thuyết; 8) ARQ ghép thích nghi; 9) tự động thích ứng liên tục theo điều kiện kênh bằng cách chèn thêm thông tin khi cần; 10) sử dụng AMC khi được kết hợp với HARQ nhằm cải thiện dung lượng của hệ thống; 11) các kỹ thuật được sử dụng cho phép HSDPA hỗ trợ tốc độ 10Mbps; 12) trong một hệ thống dữ liệu và thoại được tích hợp với người sử dụng thoại(12.2 kbps) tải khoảng 30Erl/sector và thông lượng sector của dữ liệu vẫn khoảng 1Mbps. Lập lịch nhanh được thực hiện bởi Node B dựa trên các thông tin về chất lượng kênh, yêu cầu QoS, tài nguyên… Hình 9: Mô tả đơn giản hoạt động cơ bản của HSDPA Mục đích của HSDPA là hỗ trợ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao bằng cách sử dụng một kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao(HS-DSCH) và hỗ trợ thoại được tích hợp trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên kênh HS-DSCH trên cùng một sóng mang( tương tự như DSCH trong R99). Nguyên lý hoạt động của HSDPA được mô tả trong hình 9. Vấn đề chủ chốt là xác định chất lượng kênh đường xuống cho mỗi người sử dụng độc lập; ví dụ tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm(Es/No), và chất lượng bộ tách UE. Node-B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát(TPC) được gửi theo kênh dành riêng (DCH) liên kết với UE đó. Ngoài ra, UE có thể được yêu cầu phát theo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI-Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận/không chấp nhận(Ack/Nack) ở dạng gói dữ liệu dựa trên L1 cho mỗi liên kết. Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau. Lớp điều khiển truy nhập môi trường(MAC-medium Access Control) được đặt tại Node B,do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như điều khiển chất lượng QoS chặt chẽ hơn. So sánh với phương pháp DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều khiển công suất nhanh và hệ số trải phổ là cố định. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120Kbps tới hơn 10Mbps. Quá trình điều chế và mã hóa thích nghi cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và được mở rộng hơn nữa bởi số đa mã khả dụng. Bảng 5 dưới đây chỉ ra kết nối giữa một khuôn dạng truyền tải và kết nối tài nguyên (TFRC) có thể và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng. TFRC Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu QPSK, tỷ lệ mã, hóa 1/4 120Kbps 600Kbps 1.8Mbps QPSK, tỷ lệ mã, hóa1/2 240Kbps 1.2Mpbs 3.6Mbps QPSK, tỷ lệ mã, hóa 3/4 360Kbps 1.8Mbps 5.3Mbps 16QAM Tỷ lệ mã hóa 1/2 480Kbps 2.4Mbps 7.2Mbps 16QAM Tỷ lệ mã hóa 3/4 720Kbps 3.6Mbps 10.7Mbps Bảng 5. Ví dụ tốc độ dữ liệu đỉnh của HSPDA. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt đi sâu phân tích chi tiết các giải pháp kỹ thuật được sử dụng trong HS-DPA cũng như các lợi ích mang tính cách mạng do chúng đem lại như đã được mô tả tóm tắt ở trên. 3.2 Những cải tiến quan trọng trong HSDPA so với WCDMA Hình dưới đây mô tả các tính năng cơ bản của HS-DSCH được bổ xung hoặc bị loại đi so với công nghệ WCDMA. Với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọng nhất của công nghệ WCDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng. Hinh 10 Các đặc tính cơ bản khi so sánh HSDPA với WCDMA Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tín hiệu nhận được (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát chống lại sự suy hao của tín hiệu thu được. Điều này sẽ tạo ra các giá trị đỉnh trong công suất phát và tăng nền nhiễu đa truy cập, do đó sẽ làm giảm dung lượng của toàn mạng. Hơn nữa, sự hoạt động của điều khiển cổng suất yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo một mức dự trữ nhất định trong tổng công suất phát của NodeB để thích ứng với các biến đổi của nó. Loại bỏ được điều khiển công suất sẽ tránh được các hiệu ứng tăng công suất kể trên cũng như không cần tới dự trữ công suất phát của cell. Tuy nhiên do không sử dụng điều khiển công suất, HSDPA yêu cầu các kỹ thuật thích ứng liên kết khác để thích ứng với các tham số tín hiệu phát nhằm liên tục bám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến. Một trong những kỹ thuật thích ứng liên kết sẽ được đề cập trong chương này được gọi là điều chế và mã hóa thích nghi(AMC). Với kỹ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng một cách liên tục với chất lượng kênh thay cho việc hiệu chỉnh công suất. Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình thích ứng liên kết. Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên(variable spreading factors) trong WCDMA do khả năng thích ứng chậm đối với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Do HSDPA không còn sử dụng điều khiển công suất vòng kín, phải tối thiểu hóa sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI, vấn đề này được thực hiện nhờ việc giảm độ rộng của TTI từ 10ms ở WCDMA xuống còn 2ms ở HSDPA. Với sự bổ xung kỹ thuật HARQ nhanh, nó cho phép phát lại một cách nhanh nhất các block dữ liệu đã bị mất hoặc bị lỗi và khả năng kết hợp với thông tin mềm ở lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó. Để thu thập được thông tin chất lượng kênh hiện thời cho phép các kỹ thuật thích ứng liên kết và lập lịch gói theo dõi giám sát một cách liên tục các điều kiện vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, chức năng MAC chị trách nhiệm giám sát kênh HS-DSCH được chuyển từ RNC đến NodeB. Thông tin về chất lượng kênh nhanh cho phép bộ lập lịch gói phục vụ user chỉ khi điều kiện của user này là thích hợp. Quá trình lập lịch gói nhanh và đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH về bản chất có thể xem như phân tập lựa chọn đa người dùng(multiuser selection diversity) với những lợi ích rất to lớn đối với việc cải thiện thông lượng cell. Việc dịch chuyển chức năng lập lịch đến NodeB là thay đổi chính về kiến trúc nếu so sánh với phiên bản R99. 3.3 Cấu trúc HSDPA Không giống như tất cả các kênh truyền tải theo kiến trúc R99, chúng đều chấm dứt tại RNC, kênh HS-DSCH chấm dứt ngay tại Node B.Với mục đích điều khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này (do đó được gọi là MAC-hs) nằm ngay tại Node B (xem hình 11), do đó cho phép nhận được các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho các thuê bao tốc độ thấp.Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại diễn ra nhanh hơn. Đặc biệt hơn, lớp MAC-hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng HARQ cho mỗi user, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên của chúng (ví dụ, lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thích hợp cho mỗi TTI (ví dụ thích ứng liên kết).Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải tiến truyền tải của các kênh logic. MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối thiểu hoá dung lượng bộ nhớ đệm của Node B. Việc chuyển hàng đợi dữ liệu đến Node B làm nảy sinh yêu cầu phải có một cơ chế điều khiển luồng (được gọi là HS-DSCH Frame Protocol) nhằm giữ cho các bộ nhớ đệm tại Node B luôn luôn đầy. Hình 11: Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH. Ngoài ra, HS-DSCH không hỗ trợ chuyển giao mềm do sự phức tạp trong việc đồng bộ hoá quá trình phát từ các cell khác nhau.HS-DSCH có thể hỗ trợ tùy chọn phủ toàn bộ hoặc phủ một phần cell. 3.4 Cấu trúc kênh HSDPA Trong hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA, kênh DSCH có tính chất đặc thù và rất hữu dụng cho việc truyền lưu lượng gói lớn ở đường xuống.DSCH cung cấp các tài nguyên mã mà chúng có thể được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng khác nhau theo phương thức ghép theo thời gian.Việc chia sẻ các tài nguyên cho phép cải thiện dung lượng và tránh được sự thiếu hụt về mã định kênh khi xảy ra trường hợp mỗi user được cấp phát một kênh DCH.Như đã đề cập ở trên, khái niệm HSDPA dựa trên một loại kênh truyền tải mới, kênh HS-DSCH, nó có thể được xem như một sự phát triển của kênh DSCH.HS-DSCH được xếp vào nhóm các kênh vật lý được ký hiệu là HS-DSCHs và được chia sẻ giữa tất cả các user theo phương thức ghép theo thời gian.Hệ số trải phổ của kênh HS-DCSHs được cố định là 16, và MAC-hs có thể sử dụng một số mã (còn gọi là đa mã), tối đa lên đến 15 mã.Hơn nữa, bộ lập lịch có thể sử dụng ghép theo mã bằng cách truyền các HS-DSCHs tách biệt tới các user khác nhau trong cùng TTI.Cấu trúc kênh đường lên và đường xuống của HSDPA được mô tả trong hình 12.Khái niệm HSDPA còn bao gồm kênh HS-SCCH để báo hiệu cho các user khi chúng được phục vụ cũng như các thông tin cần thiết cho quá trình giải mã.HS-SCCH mang những thông tin sau: Mặt nạ ID cảu UE: để xác định user được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo. Thông tin liên quan đến khuôn dạng truyền tải: mô tả các mã định kênh, và phương thức/kỹ thuật điều chế được sử dụng.Tỉ lệ mã hoá thực được trích ra từ kích cỡ của block truyền tải và các tham số khuôn dạng truyền tải khác. Thông tin liên quan đến HARQ: ví dụ như chu kỳ phát tiếp theo sẽ là một block mới hay là một block được phát lại (do có lỗi trước đó) và thông tin về các bản thừa. Thông tin điều khiển này chỉ được sử dụng cho UE sẽ được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo, như vậy kênh báo hiệu này là một kênh chia sẻ theo thời gian cho tất cả các user. RNC cũng có thể chỉ rõ công suất được khuyến nghị cho HS-SCCH (độ lệch liên quan tới các bit hoa tiêu của kênh DPCH kết hợp).Công suất phát của HS-SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tuỳ theo một chiến lược điều khiển công suất nào đó mặc dầu các tiêu chuẩn của 3GPP không thiết lập bất kỳ mô hình điều khiển công suất nào cho HS-SCCH. Một kênh HS-DPCCH đường lên mang các thông tin điều khiển cần thiết ở đường lên, được gọi là, sự xác nhận ARQ (ARQ acknowledgements), và các thông báo chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality Indicatior).Các bản tin CQI sẽ được mô tả ở phần sau.Để hỗ trợ hoạt động điều khiển công suất của HS-DPCCH, mỗi người sử dụng sẽ được cấp phát một kênh DPCH liên kết. Hình 12: Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA. 3.5. AMC và kỹ thuật phát đa mã. Như đã đề cập trong mục 2, HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng khác để thay thế các kỹ thuật điều khiển công suất và hệ số trải phổ biến thiên vốn được sử dụng trong hệ thống WCDMA.Để đối phó với dải rộng của tại đầu cuối UE, HSDPA thích ứng quá trình điều chế, tỉ lệ mã hoá và số mã định kênh với các điều kiện vô tuyến hiện thời.Sự kết hợp của hai kỹ thuật đầu tiên được gọi là Điều chế và Mã hoá Thích ứng (AMC). Bênh cạnh QPSK, HSDPA kết hợp chặt chẽ với phương thức điều chế 16QAM để tăng tốc đô dữ liệu đỉnh cảu các user được phục vụ dưới điều kiện vô tuyến thích hợp.Việc hỗ trợ cho QPSK có tính chất bắt buộc đối với thông tin di động, còn đối với 16QAM là một tuỳ chọn cho mạng và UE.Sử dụng đồng thời cả hai phương thức điều chế này, đặc biệt là phương thức điều chế cấp cao 16QAM, đưa ra một số thách thức nhất định đối với độ phức tạp của bộ thu đầu cuối, nó cần phải xác định được biên độ tương ứng của các ký hiệu nhận được, trong khi đối với phương pháp điều chế QPSK truyền thống chỉ yêu cầu tách pha tín hiệu.Một bộ mã hoá turbo dựa trên bộ mã hoá turbo R99 với tỉ lệ mã hoá 1/3, mặc dù các tỉ lệ mã hoá hiệu dụng khác trong phạm vi (xấp xỉ từ 1/6 đến 1/1) cũng có thể có được bằng các kỹ thuật ghép, chích và lặp mã.Kết quả là tạo ra một dải tỉ lệ mã có tới 64 giá trị khác nhau.Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tỉ lệ mã được gọi là Lược đồ Mã hoá và Điều chế (MCS-Modulation and Coding Scheme).Bảng 6 chỉ ra một số tập MSC thường được sử dụng cho HSDPA và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng với mỗi MSC. Ngoài kĩ thuật AMC, phát đa mã cũng có thể xem như một công cụ thích ứng liên kết.Nếu user có các điều kiện vô tuyến tốt, Node B có thể lợi dụng điều kiện này bằng cách phát nhiều mã song song với nhau, nhằm đạt được thông lượng đỉnh khá lớn.Ví dụ với MCS 5 và một bộ 15 đa mã, có thể đạt được tốc độ tối đa lên tới 10,8 Mbps. Với kỹ thuật phát đa mã, toàn bộ dải động cảu AMC có thể được tăng lên một lượng: 10. 12 dBs.Toàn bộ dải rộng thích ứng liên kết do AMC kết hợp với phát đa mã xấp xỉ 30 dB.Chú ý rằng, dải rộng của kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA xấp xỉ 20 dB, có nghĩa là bé hơn khoảng 10 dB so với dải rộng thích ứng trong HSDPA. Bảng 6: ví dụ về MSC của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã 3.6 Thích ứng liên kết Chức năng thích ứng liên kết của Node B có vai trò thích ứng điều chế, khuôn dạng mã hoá, và số lượng đa mã với các điều kiện vô tuyến hiện thời.Để hiểu được các nguyên tắc điều khiển chức năng này, trước tiên cần xem xét hiệu qủa phổ tần của các MCS khác nhau. Hình 13 mô tả nhận được đối với mỗi bit dữ liệu (với mỗi user định kênh có SF=16) tại BLER=10%, các giá trị MSC được mô tả trong bảng 6 với user đi bộ, tốc độ 3km/h.Trên hình vẽ được biể diễn là đường bao thấp hơn và nó là một hàm của PDR với mã định băng tần hạn chế theo lý thuyết của Shannon.Với lưu ý rằng, dung lượng kênh theo lý thuyết mô tả giới hạn chất lượng tối ưu.Từ kết quả mô phỏng, có thể kết luận rằng việc sử dụng của hầu hết các mấu MCS đều cho kết quả tốt hơn lý thuyết, có nghĩa là có thể tiết kiệm mức thấp nhất về chi phí nếu xét theo tỉ lệ thu được với mỗi bit dữ liệu. Hình 13: Năng lượng bit tín hiệu nhận được trên mật độ phổ tạp âm so với tỉ lện dữ liệu đỉnh (PDR-Peak Data Rate) trên mã.Hình vẽ bao gồm dung lượng Shannon lý thuyết và dung lượng theo kết quả mô phỏng mức liên kết tại BLER = 10%, user đi bộ với tốc độ 3km/h. Hình 13 mô tả sự kết hợp giữa số lượng đa mã và MCS cho nhằm đạt được thông lượng truyền dẫn cao nhất.Các kết quả được tính toán với tập giá trị MSC cho ở bảng 6.Với mật độ phân giải rất mịn của tỉ lệ mã hoá, khi tất cả các đa mã khả dụng đã được sử dụng hết, giá trị càng lớn khi sử dụng MSC bậc càng cao. Hình 14: Số mã tối ưu và MSC là một hàm của của mỗi TTI. Giả thiết chất lượng kênh lý tưởng, user đi bộ, tốc độ 3km/h. Tiếp theo, chúng ta sẽ đi phân tích chi tiết hơn các phương pháp thích ứng liên kết được sử dụng trong HSDPA.Như đã mô tả ở trên, chức năng thích ứng liên kết phải lựa chọn được MSC và số lượng đa mã để thích ứng, chúng với giá trị tức thời.Tuy nhiên, tiêu chí lựa chọn có thể dựa trên các tài nguyên biến thiên sau: Chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indicator): UE gửi theo đường lên một bản tin về CQI chứa các thông tin tuyệt đối về chất lượng tín hiệu tức thời nhận được bởi user đó.CQI chi biết kích thước block truyền tải, số mã và phương thức điều chế từ một tập các phương thức điều chế mà UE có khả năng hỗ trợ.RNC ra lệnh UE thông báo về CQI với một chu kỳ lấy từ tập [2,4,8,10,20,40,80,160] ms, và cũng có thể huỷ bỏ các thông báo này. Đo lường công suất của kênh DPCH liên kết: mỗi người sử dụgn được xếp trên một kênh HS-DSCH hoạt động song song với kênh DPCH với mục đích báo hiệu, công suất phát của chúng có thể được sử dụng để dự đoán thông tin về trạng thái tức thời của chất lượng kênh truyền.Thông tin này sẽ được sử dụng để thích ứng liên kết cũng như lập lịch gói.Với giải pháp này, Node B yêu cầu một bảng các giá trị tương ứng , độ lệch công suất phát giữa DPCH và HS-DSCH với các MSC khác nhau cùng với một giá trị đích BLER cho trước. Xác nhận HARQ: việc xác nhận tương ứng với giao thức HARQ cũng có thể cung cấp các thông tin về chất lượng kênh, mặc dù tham số này thì ít khi được sử dụng hơn hai tham số trước bởi vì chỉ có thể nhận được tham số này khi user đã được phục vụ.Do đó, nó không cung cấp thông tin chất lượng kênh tức thời. Kích thước bộ nhớ đệm: độ lớn dữ liệu được lưu giữ trong buffer của MAC-hs cũng có thể được sử dụng kết hợp với các tham số trên để lựa chọn cac tham số phát. 3.7 HARQ nhanh HSDPA kết hợp chặt chẽ với chức năng phát lại ở vật lý cho phép cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ và tăng khả năng chống lại các lỗi thích ứng liên kết.Bởi vì chức năng HARQ được đặt tại thực thể MAC-hs của Node B, quá trình phát lại các khối truyền tải sẽ nhanh hơn đáng kể so với sự phát lại lớp RLC bởi vì RLC hoặc Iub không tham gia vào quá trình này. Giao thức phát lại được lựa chọn trong HSDPA là Dừng và Chờ (SAW-Sop And Wait) do sự đơn giản của kiểu giao thức này đối với ARQ.Trong SAW, bộ phát cố gắng phát block tiếp theo.Do có thể xảy ra trường hợp phát liên tục một UE nào đó, N tiến trình SAW-ARQ có thể hoạt động song song để phục vụ tới một UE đó, và các tiến trình khác nhau sẽ phát trong các TTI tách biệt.Số tiến trình SAW-ARQ tối đa cho mối UE là 8.Theo ước lượng RTT lớp 1, trễ giữa thời điểm phát và thời điểm phát lại lần thứ nhất khoảng 12 ms, có nghĩa là nó yêu cầu 6 tiến trình SAW phát liên tục tới một UE riêng lẻ.Giao thức SAW dựa trên sưu không đồng bộ đường xuống và đồng bộ đường lên.Điều này có nghĩa là ở đường xuống, HS-SCCH phải xác định được tiến trình HARQ đang phát trên kênh HS-DSCH, trong khi ở đường lên, các xác nhận tiến trình SAW được gắn liền với việc định thời.Hình 12 là một ví dụ với N kênh giao thức SAW phát một chuỗi các gói lần lượt P1, P2,...,P6. Kỹ thuật HARQ là điểm khác nhau cơ bản so với kỹ thuật phát lại trong WCDMA bởi vì bộ giải mã UE kết hợp các thông tin “mềm” của nhiều quá trình phát lại của cùng một block ở cấp độ bit.Chú ý rằng, kỹ thuật này đưa ra một số yêu cầu về mở rộng dung lượng bộ nhớ của UE, do UE phải lưu giữ các thông tin “mềm” của những lần phát giải mã không thành công.Các phương pháp HARQ như sau: Kết hợp khuôn (CC: Chase Combining): mỗi lần phát lại chỉ đơn giản là sự lặp lại của từ mã đã được sử dụng cho lần phát đầu tiên. Độ dư gia tăng (IR: Incremental Redundancy): sự phát lại bao gồm cả thông tin dư thừa bổ xung và thông tin này được phát kèm thêm nếu cố lỗi giải mã trong lần phát đầu tiên. Hình 15: Hoạt động của giao thức SAW 4 kênh Mạng vô tuyến mới WDMA/HSDPA hứa hẹn sẽ hỗ trợ các dịch vụ với tốc độ dữ liệu rất cao, lên tới 10 Mbps, và đạt được hiệu quả phổ tần cao hơn đối với dữ liệu chuyển mạch gói.Có thể xem HSDPA là một bước đột phá thực sự trong quá trình phát triển của mạng truy nhập vô tuyến kể từ năm 1997.Các khái niệm cơ bản về HSDPA được đề cập trong bài này không ngoài mục đích từng bước xây dựng kiến trúc của mạng thông tin di động 3,5G trong tương lai. Một vấn đề cần quan tâm xem xét, là nghiên cứu khả năng tương hợp (harmonization) giữa hai họ công nghệ WCDMA/HSDPA và 1xEV-DV/1xEV-DO (đều là công nghệ 3,5G) trong quá trình phát triển của mạng truy cập vô tuyến sau 3G.Do có nhiều điểm tương đồng vễ kỹ thụat cũng như khả năng hỗ trợ dịch vụ của hai họ công nghệ WCDMA/HSDPA và 1xEV-DV/1xEV-DO vấn đè tương hợp giữa chúng về mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi all-IP duy nhất trở thành một trong những vấn đề được quan tâm phát triển nhất hiện nay. CHƯƠNG 4 SO SÁNH HIỆU NĂNG CỦA HSDPA VÀ WCDMA (3GPP PHIÊN BẢN 99) Hiệu năng của HSDPA trong môi trường đa người dùng được đánh giá chất lượng bằng phương pháp mô phỏng mạng động với nhiều cell và nhiều người dùng. Việc mô tả cung cấp một khung cảnh mà trong đó có sự kết hợp của cả WCDMA phiên bản 99 DCH và HSDPA 5 phiên bản trong đó người dùng được phục vụ trên cùng một sóng mang. Với phiên bản 5 HSDPA chúng ta sẽ mô phỏng HS-DSCH, HS-SCCH và một sự kết hợp với DCH tại tốc độ 3.4kbps. Với DCH kết hợp chỉ được giả sử là mang báo hiệu mạng vô tuyến cho báo hiệu lớp 3. Với phiên bản 99 DCH được mô phỏng với vòng lặp bên trong và điều khiển công suất lặp bên ngoài, chức năng chuyển giao mềm, và điều khiển cho phép dựa trên công suất. Chúng ta có thể làm rõ tính ưu việt của hiệu năng HSDPA so với WCDMA( phiên bản 99 ) qua các vấn đề sau: 4.1 Phân tập đa người dùng Trước tiên chúng ta nghiên cứu sự khuếch đại của cơ chế lập lịch cân bằng qua phương pháp quay vòng (round robin), hay còn được gọi là “multiuser diversity gain”. Đa phân tập người dùng được nêu trong hình 16 cho trường hợp công suất mạng là 7W và các mã 5 HS-PDSCH được cấp cho đường truyền HSDPA, trong đó tài nguyên còn lại được sử dụng cho đường truyền trên kênh của phiên bản 99. Hình 16: khuếch đại đa người dùng. số lượng người dùng HSDPA trung bình trên mỗi cell bằng 6 lần kết quả này. Multiuser diversity gain cũng nói lên cơ chế lập lịch cho người dùng nếu người dùng nào có SINR tốt hơn thì nó sẽ được ưu tiên cấp phát tài nguyên, trong khi vẫn tránh được lập lịch người dùng và giảm được mất mát, Multiuser diversity gain chỉ sẵn sàng tại tốc độ người dùng trung bình trong đó việc lập lịch gói có thể tìm thấy sự thay đổi trong kênh vô tuyến fading nhanh. vơi tốc độ cao của người dùng thì bộ lập lịch gói có thể không tìm ra sự thay đổi kênh vô tuyến, bằng cách điều khiển CQI nhận được từ thiết bị người dùng 4.2 Dung lượng sóng mang HSDPA Hiệu suất cell được nêu trong hình 17 đối với những sự phân chia mã HS-PDSCH khác nhau trong mỗi cell. Đối với các mã HS-PDSCH và không có kênh DCH trong cell thì hiệu suất của cell đạt được là 1.2Mbps, trong khi đó nó tăng lên tới 1.3Mbps nếu một vài công suất được sử dụng cho đường truyền trên DCH. Vì vậy với các mã HS-PDSCH trên mỗi cell, thì việc tách lưu lượng giữa HSDPA và DCH là tốt hơn so với việc cấp phát tất cả lưu lượng và công suất cho HSDPA. Cách tách hiệu quả giữa HSDPA và DCH là phụ thuộc vào lưu lượng còn lại của HSDPA và thiết bị người dùng non-HSDPA. Để tăng số lượng mã HS-PDSCH từ năm lên mười thì chúng ta sẽ thu được dung lượng tăng lên xấp xỉ 50%. Dung lượng tăng là có thể đạt được bởi vì chúng ta có thể tăng số lượng mã HS-PDSCH trước khi tăng tốc độ bậc mã hóa hoặc điều chế. Kết quả với mã 10 HS-PDSCH trong chỉ một cell HSDPA được nêu lên trong trường hợp không có hợp mã(code-multiplexing) và giả sử rằng tất cả các mobile HSDPA có thể nhận mã 10 HS-PDSCH với code-multiplexing của hai người dùng trên một TTI, và mỗi người dùng có thể nhận mã 5 HS-PDSCH. Hình 17 hiệu suất cell trung bình theo số lượng mã HS-PDSCH được cấp phát hoặc hợp mã được sử dụng 4.3 Dung lượng HSDPA với phiên bản 99 Chúng ta xem xét trường hợp trong đó mã 5 HS-PDSCH và mã 1 HS-SCCH là được cấp cho đường truyền HSDPA trên mỗi cell. Mã kênh còn lại được sử dụng cho đường truyền các kênh trong phiên bản 99. Hình 18 cho thấy hiệu suất cell trung bình trên HSDPA và DCH đối lập với công suất HSDPA được cấp, cũng như hiệu suất tổng các cell và đó là tổng hiệu suất trên HSDPA và DCH. Hiệu suất cell HSDPA tăng công suất HSDPA nhiều hơn so với được cấp phát, trong khi đó hiệu suất DCH giảm vào cùng thời điểm đó. Hiêu suất tổng của cell là 1.3Mbps đối với công suất cấp phát 7-W HSDPA. vì vậy với HSDPA sử dụng các mã 5 HS-PDSCH thì nó sẽ mang lại một dung lương lớn hơn so với phiên bản 99 là 70%, phiên bản này chỉ mang lại dung lượng kênh là 780kbps. Dung lượng tăng như vậy là vì HSDPA có sử dụng hai phương pháp tương quan nhanh và HARQ, thêm vào đó có cơ chế phân tập đa người dùng có sử dụng cơ chế lập lịch cân bằng theo tỷ lệ. Vì vậy đó là một dẫn chứng để nói rằng công suất của HSDPA đối lập với DCH dựa trên việc tài nguyên truyền chung được chia sẻ như thế nào giữa hai loại kênh. Tuy nhiên hiệu suất cell tổng không thay đổi nhiều lắm với công suất truyền HSDPA được cấp phát. Hình 18: Hiệu suất cell trung bình phụ thuộc vào công suất HSDPA được cấp phát 4.4 Tốc độ dữ liệu người dùng Hiệu suất HSDPA được sử dụng bởi mỗi người dùng phụ thuộc vào số lượng người dùng HSDPA được cấp phép trên một cell mà các người dùng này chia sẻ cùng chung một kênh HS-DSCH. Hàm tích lũy theo hiệu suất sử dụng của người dùng được đề cập trong hình 4.4, với giả thiết công suất sử dụng HSDPA là 7W và mã 5 HS-PDSCH được sử dụng, trong khi đó công suất còn lại được sử dụng cho kênh truyền của phiên bản 99. Hiệu suất HSDPA giảm khi nhiêu người dùng được cấp phép trên mỗi cell. Lượng hiệu suất HSDPA giảm trung bình trên mỗi người dùng là không tỷ lệ nghịch với số lượng người dùng HSDPA được cấp phát. Hiệu suất HSDPA tại điểm phân vị 50% là 400kbps và 270kbps đối với một và ba người dùng trên một cell. Nếu người dùng càng gần trung tâm của cell HS-DSCH thì tốc độ dữ liệu càng tăng hơn so với người dùng ở biên của cell HS-DSCH. Hình 19 Hàm phân phối tích lũy theo hiệu suất người dùng với số lượng người dùng HSDPA khác nhau trong một cell, và sử dụng công suất HSDPA là 7W. 4.5 Hiệu suất truyền Iub Một trong số những chi phí hoạt động có ý nghĩa cho hoạt động WCDMA là đường truyền Iub giữa RNC và Node Bs, đặc biệt nếu đương lease line E1/T1 được sử dụng. phần này cho chúng ta thấy cách thức mà công nghệ HSDPA có thể cải tiến hiệu quả đường truyền Iub và làm giảm giá cả trên mỗi bit truyền trên HSDPA so với WCDMA. Ngày nay có nhiều hoạt động sử dụng chế độ truyền bất đồng bộ trên Iub vì vậy chúng ta sẽ đề cập tới cả các giao thức truyền dựa trên nền IP bởi những phương pháp truyền này cũng được đề cập trong 3GPP. Hiệu quả Iub cải tiến cho HSDPA được mô tả qua những nhân tố sau: Chia sẻ động của băng thông Iub HSDPA được cấp phát giữa các người dùng HSDPA tích cực. điều này đạt được bằng cách sử dụng điều khiển luồng MAC-hs nhanh. Với phiên bản 99 thì băng thông Iub được cấp phát riêng cho mỗi người dùng, điều này làm cho việc chia sẻ băng thông giữa các người dùng trở nên khó khăn hơn. Bộ đệm dữ liệu trong Node B nghĩa là việc truyền với tốc độ dữ liệu đỉnh là cao tại môi trường không khí có thẻ được cung cấp bởi HSDPA mà không cần yêu cầu băng thông Iub cao hơn. Điều đó ngụ ý rằng các một khoảng thời gian tạm thời là ngắn có tắc nghẽn Iub sẽ không dẫn tới dung lượng HSDPA bị lãng phí trong môi trường không khí. HSDPA không cần chuyển giao mềm, vì vậy dữ liệu được truyền tới một người dùng HSDPA là chỉ được truyền một lần quan một Iub đơn. WCDMA phiên bản 99 phụ thuộc vào việc chuyển giao mềm ở đó đa đường links Iub được yêu cầu cho các người dùng trong chuyển giao mềm. từ thực tế khảo sát cho thấy với chuyển giao mềm trong phiên bản 99 WCDMA dẫn tới qua tải 40% người dùng WCDMA, nghĩa là xét về trung bình thì trong phiên bản 99 thì một thiết bị UE nhận dữ liệu từ 1.4 các cells. Giả sử rằng với một mô hình duyệt web TCP và một môi trường macro-cell với ba sector(ba cell) thì nhân tố thứ hai được coi như một cải tiến của HSDPA so với WCDMA. Đây là một cải tiến quan trọng, nó có nghĩa là nhiều gấp hai lần số bít người dùng được truyền qua cung một Iub nếu sử dụng công nghệ HSDPA so với công nghệ WCDMA. Điều khiển Mac-hs được hoạt động bằng cách gửi so-called credits tới RNC cho mỗi luồng MAC-d, phụ thuộc vào lượng dữ liệu đệm trong Node B. số lượng credits biểu thị lượng tải đơn vị dữ liệu lớn nhất mà RNC cho phép gửi qua Iub trong khoảng thời gian 10ms của HS-DSCH. Lưu ý rằng độ dài khung dữ liệu cho khung HS-DSCH băng 10ms. Nếu có tắc nghẽn Iub xảy ra thì RNC không thể truyền tất cả các gói PDU theo các credits nhận được, một cơ chế kiểm soát tắc nghẽn đơn giản được áp dụng cho tất cả các luồng MAC-d HSDPA tích cực, tại vị trí mà luồng PDU bị giảm. Hình 20 Sơ đồ khối cho việc mô phỏng với băng thông Iub giới hạn và điều khiển luồng MAC-hs Hình 21 Trade-off giữa HSDPA RF và Iub Kết quả trong hình 21 cho thấy để đạt được 100% dung lượng tần số vô tuyến thì băng thông Iub HSDPA được yêu cầu là 3.8Mbps. Một lượng băng thông Iub HSDPA 3.2Mbps là đủ để đạt được 95% dung lượng tần số vô tuyến HSDPA sẵn có. Kích thước Iub như vậy là vượt quá 20% kích thước Iub thông thường. lượng 20% này là cần thiết cho sự thay đổi trong dung lượng tần số vô tuyến HSDPA sẵn có. Nếu số người sử dụng HSDPA trong một cell càng cao thì dung lượng đỉnh sẽ càng gần với dung lượng trung bình. 4.6 Trễ khứ hồi: Trong khi tốc độ dữ liệu tối đa được sử dụng trong hệ thống vô tuyến chuẩn, tốc độ này là chưa đủ để nói lên hiệu năng của mạng từ quan điểm của ứng dụng. tốc độ dữ liệu thực là có liên quan nếu chúng ta xem xét thời gian đường xuống của một file có kích thước lớn, nhưng có một lượng lớn các ứng dụng có thể hoạt động được với tốc độ dữ liệu thấp hay còn gọi là trễ và nó được xem như là trễ khứ hồi (RTT), trễ này được định nghĩa là thời gina trễ của một gói tin IP trên đường truyền đi cộng thời gian sử lý cộng với thời gian trễ phản hồi. Nếu kích thước gói IP là nhỏ, thì tốc độ dữ liệu không ảnh hưởng đến trễ, nhưng sau đó thời gian trễ được xác định bởi cấu trúc khung hệ thống và bởi độ trễ giao diện. RTT được xác định trong hình 22: Hình 22 Xác định thời gian trễ khứ hồi Đối với RTT chúng ta sử dụng các giả thiết sau: Độ trễ UE là 10-25ms Độ trễ Node B là 10-25ms Độ trễ giao diện, bao gồm bộ đệm đường lên, là 43-53ms đối với phiên bản 99, 20ms cho HSDPA, và 10ms cho HSUPA. Với tốc độ dữ liệu WCDMA phiên bản 99 là 64/64kbps cho đường lên và đường xuống và với TTI là 20ms thì với tốc độ 128/384kbps là 10ms TTI. Trong khi đó thì HSUPA có TTI là 2ms. Độ trễ Iub 20-40ms cho phiên bản 99, 10ms cho HSDPA, và 5ms cho HSUPA. Độ trễ RNC là 20ms đối với phiên bản 99 và 10ms cho HSDPA/HSUPA Độ trễ mạng lõi Iu là 3ms RTT cải tiến được minh họa trong hình 22. RTT cho WCDMA là 110-150ms, đối với HSDPA 70ms và HSUPA < 50 ms. Độ trễ được bắt nguồn từ các yếu tố mạng vô tuyến và các loại nhiễu trong khi đó trễ mạng lõi là rất ngắn. RTT lớp MAC với HSDPA và HSUPA là rất ngắn, xấp xỉ 10ms, và RTT tổng cổng phụ thuộc chính vào trễ xử lý trong các yếu tố mạng và UE. Ví dụ về một phép đo trong lệnh ping sử dụng cả WCDMA (phiên bản 99)và HSDPA được nêu trên hình 23. Trong đó RTT của HSDPA là nằm trong khoảng 70 đến 85ms trong một mạng vô tuyến cụ thể trong khi đó RTT WCDMA có giá trị trung bình là 130ms. Hình 23 đánh giá trễ khứ hồi cải tiến Hình 24 ví dụ về đo RTT trong WCDMA và HSDPA WCDMA phiên bản 99 cung cấp tốc độ đường xuống tối đa là 384kbps, trong khi đó HSDPA tốc độ này lên tới 1.8 và 3.6Mbps, cũng có thể lên tới 10Mbps. HSDPA giảm độ trễ mạng so với WCDMA phiên bản 99 DCH. Việc tính toán và các thông số cho thấy RTT trung bình có thể thấp hơn 100ms với HSDPA và WCDMA phiên bản 99 DCH đường lên. Với HSUPA đường lên thì RTT là nhở hơn 50ms. HSDPA cải thiện hiệu suất cell lên tới 1Mbps/MHz/sector trong macro-cell 3 sector nhờ có kỹ thuật đường link cải tiến, bộ nhận đầu cuối cải tiến, và chế độ phân tập với cơ chế lập lịch nhanh. Cơ chế lập lịch cân bằng dùng để cải thiện hiệu suất cell lên tới 30% với tốc độ di động thấp. HSDPA cũng đã cải tiến luồng dữ liệu đảm bảo hiệu quả và an toàn. Phần trên cho thấy HSDPA có thể cùng tồn tại với WCDMA phiên bản 99 trên cùng một sóng mang. Sóng mang chia sẻ làm cho hiệu năng mạng tăng, đặc biệt khi lưu lượng WCDMA là nhỏ và HSDPA có tốc độ bit là 1.8Mbps. thêm vào đó là dung lượng cao cũng như tốc độ bit cao. HSDPA yêu cầu đầu tư hơn ở Iub để đạt được tốc độ bit cao hơn. Nhưng HSDPA cũng cải thiện hiệu quả của Iub so với WCDMA phiên bản 99: rõ ràng số lượng bít được gửi đi là cao hơn với cùng một dung lượng giữa HSDPA so với WCDMA phiên bản 99. Lý do đầu tiên là HSDPA được truyền từ một cell mà không cần chuyển giao mềm và thứ hai là vì người dùng HSDPA có tài nguyên Iub chia sẻ thay vì tài nguyên cố định của WCDMA. KẾT LUẬN Theo nghiên cứu ở trên chúng ta nhận thấy mạng thông tin di động đã phát triển rất mạnh mẽ trong những năm qua, có rất nhiều công nghệ mạng đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng để đáp ứng nhu cầu rất lớn của người sử dụng không chỉ đơn thuần về mặt truyền tải dữ liệu mà dữ liệu đó còn phải có tốc độ cao cũng như tính tin cậy. Qua khoá luận bản thân em đã nghiên cứu và học hỏi được rất nhiều công nghệ thông tin di động như HSDPA… Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có hạn nên còn một số vấn đề em sẽ nghiên cứu trong tương lai như so sánh công nghệ HSDPA với công nghệ Wimax…. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] The comparision of performance when HSDPA and WCDMA coexist in two environment . Pei Li; Weiling Wu [2] Những mối tương quan chung giữa công nghệ CDMA2000 và WCDMA - 3G - Lê sum [3] HSDPA.HSUPA.for.UMTS.High.Speed.Radio.Access.for.Mobile.Communications . Harri holma