SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 16 1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin di động thế hệ I
Mặc dù các hệ thống thông tin di động đầu tiên đã được thử nghiệm từ những năm 1930-1940 tại các sở cảnh sát Hoa Kỳ, nhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại chỉ thực sự xuất hiện vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 Những hệ thống điện thoại này, được gọi là hệ thống 1G, sử dụng công nghệ tương tự (analog) và áp dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access).
Hệ thống mạng di động 1G chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại với chất lượng âm thanh kém do thường xuyên xảy ra tình trạng nghẽn mạch và nhiễu.
Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên nhƣng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới:
NMT (Nordic Mobile Telephone): chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga
AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ
TACS (Total Access Communications System) tại Anh
JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp
Hệ thống thông tin di động thế hệ II
Thế hệ 2G đã cách mạng hóa kết nối thông tin di động bằng cách sử dụng tín hiệu số thay vì tín hiệu analog như thế hệ 1G, được giới thiệu lần đầu tại Phần Lan bởi Radiolinja vào năm 1991 Mạng 2G mang đến cho người dùng di động ba lợi ích chính: mã hóa dữ liệu theo dạng số, phạm vi kết nối rộng hơn và sự ra đời của tin nhắn văn bản SMS Các tín hiệu thoại được mã hóa thành tín hiệu số qua nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép truyền tải nhiều gói mã thoại trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Bên cạnh đó, tín hiệu số trong thế hệ 2G cũng tạo ra sóng nhẹ hơn và sử dụng chip thu phát nhỏ gọn, giúp tiết kiệm diện tích trong thiết bị.
Mạng 2G được chia thành hai nhánh chính là TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) Hệ thống này cung cấp nhiều dạng kết nối mạng khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng của thiết bị và hạ tầng của từng khu vực quốc gia.
GSM, dựa trên công nghệ TDMA, đã được áp dụng lần đầu tại Phần Lan và nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn phổ biến trên toàn cầu Hiện nay, công nghệ này vẫn được hơn 80% nhà cung cấp mạng di động trên thế giới sử dụng.
IS-136 hay còn gọi là D-AMPS, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
IS-95, hay còn gọi là cdmaOne, là nền tảng CDMA phổ biến tại Hoa Kỳ và một số quốc gia Châu Á, chiếm khoảng 17% tổng số mạng di động toàn cầu.
Tính đến thời điểm hiện tại, có khoảng 12 nhà mạng tại Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc đang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng hiện tại sang GSM, giống như HT Mobile đã thực hiện tại Việt Nam gần đây.
PDC (nền tảng TDMA) tại Nhật Bản
iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility tại Canada
IS-136, hay còn gọi là D-AMPS, là một chuẩn kết nối phổ biến nhất hiện nay, sử dụng nền tảng TDMA và được triển khai rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới, bao gồm cả Hoa Kỳ.
1.3.1 Mạng thông tin di động 2,5G
Thế hệ 2,5G là cầu nối giữa mạng 2G và 3G, đánh dấu sự cải tiến khi mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống Mặc dù không được định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào, 2,5G chủ yếu được sử dụng để tiếp thị công nghệ mới trong bối cảnh mạng 2G.
Mạng 2,5G mang lại nhiều lợi ích tương tự như mạng 3G, tận dụng hạ tầng sẵn có của các nhà mạng 2G trong hệ thống GSM và CDMA Công nghệ GPRS, nổi bật trong mạng 2,5G, cho phép kết nối trực tuyến và truyền tải dữ liệu hiệu quả cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Ngoài ra, các giao thức như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA có thể cung cấp chất lượng gần giống với dịch vụ 3G, với tốc độ truyền dữ liệu đạt 144 Kbps Tuy nhiên, chúng vẫn được phân loại là dịch vụ 2,5G (hoặc 2,75G) do tốc độ chậm hơn nhiều so với dịch vụ 3G thực thụ.
1.3.2 Mạng thông tin di động 2,75G
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS, là công nghệ di động nâng cấp từ GPRS, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 384 Kbps cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, và 144 Kbps cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Trên hành trình tiến tới 3G, EDGE được biết đến như công nghệ 2,75G, bên cạnh việc sử dụng điều chế GMSK.
Việc sử dụng phương thức điều chế 8-PSK giúp tăng tốc độ dữ liệu truyền lên đáng kể Do đó, để triển khai công nghệ EDGE, các nhà cung cấp mạng cần nâng cấp trạm phát sóng BTS và thiết bị di động so với mạng GPRS trước đây.
Hệ thống thông tin di động thế hệ III
Mạng 3G, hay công nghệ di động thế hệ thứ ba, cho phép truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại như email, tin nhắn nhanh và hình ảnh Công nghệ này sử dụng cả hệ thống chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, yêu cầu một mạng truy cập radio khác biệt so với hệ thống 2G Điểm mạnh của 3G so với 2G và 2,5G là khả năng truyền và nhận dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và di động với tốc độ khác nhau Nhờ vào công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng nhiều dịch vụ đa phương tiện như âm nhạc chất lượng cao, video, truyền hình số, dịch vụ GPS, email, video streaming và các trò chơi cao cấp.
Giá tần số cho công nghệ 3G rất cao tại nhiều quốc gia, với các cuộc bán đấu giá mang lại hàng tỷ Euro cho chính phủ Chi phí bản quyền tần số phải được chi trả trong nhiều năm trước khi có thu nhập từ mạng 3G, dẫn đến nhu cầu vốn đầu tư lớn để xây dựng mạng này Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông gặp khó khăn tài chính, làm chậm tiến độ triển khai 3G tại nhiều quốc gia, ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi ưu tiên phát triển hạ tầng IT Nhật Bản là quốc gia đầu tiên thương mại hóa 3G với nhà mạng NTT DoCoMo ra mắt phiên bản WCDMA vào năm 2001, và dịch vụ 3G bắt đầu có mặt tại châu Âu vào năm 2003 Tại châu Phi, mạng 3G được giới thiệu đầu tiên ở Maroc vào tháng 3 năm 2007 Đến năm 2005, khoảng 40% thuê bao tại Nhật Bản là 3G, trong khi mạng 2G dần bị lãng quên.
Công nghệ 3G, được công nhận là chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU), đã dẫn đến sự phát triển của bốn chuẩn 3G thương mại chính do các nhà sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu toàn cầu xây dựng.
Tiêu chuẩn WCDMA là nền tảng của chuẩn UMTS (Universal Mobile
Hệ thống viễn thông UMTS, dựa trên công nghệ CDMA trải phổ dãy trực tiếp, trước đây được gọi là UTRA FDD, là giải pháp lý tưởng cho các nhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM, chủ yếu tại châu Âu và một phần châu Á, bao gồm cả Việt Nam UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, tổ chức cũng chịu trách nhiệm định nghĩa các chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE.
FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm
Năm 2001, dịch vụ thương mại 3G đầu tiên ra mắt, dựa trên công nghệ WCDMA Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa tương thích với UMTS, mặc dù đã có các bước tiến triển nhằm khắc phục vấn đề này.
CDMA2000 là một chuẩn 3G quan trọng, phát triển từ các chuẩn 2G CDMA và IS-95, và không nằm trong khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc Chuẩn này được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập với 3GPP CDMA2000 sử dụng nhiều công nghệ truyền thông khác nhau, bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV.
CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 Kbps tới trên 3 Mbps Chuẩn này đã đƣợc chấp nhận bởi ITU
Sự ra đời thành công nhất của mạng CDMA-2000 diễn ra tại KDDI Nhật Bản, dưới thương hiệu AU, với hơn 20 triệu thuê bao 3G Kể từ năm 2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên CDMA2000-1xEV-DO, đạt tốc độ dữ liệu tối đa 2,4 Mbps Đến năm 2006, AU dự kiến nâng cấp mạng lên tốc độ cao hơn Đồng thời, SK Telecom Hàn Quốc cũng đã giới thiệu dịch vụ tương tự.
CDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm
Chuẩn TD-CDMA, hay Time-division CDMA, trước đây được biết đến với tên gọi UTRA TDD, là một tiêu chuẩn sử dụng kỹ thuật song công phân chia theo thời gian (Time-division duplex) Tiêu chuẩn này kết hợp các phương pháp của TDMA, tạo ra một giải pháp thương mại hiệu quả cho truyền thông di động.
CDMA nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho truyền thông đa phương tiện trong cả truyền dữ liệu lẫn âm thanh, hình ảnh
Chuẩn TD-CDMA và W-CMDA là hai nền tảng quan trọng của UMTS, được tiêu chuẩn hóa bởi 3GPP, cho phép cung cấp các kênh tương tự nhau Các giao thức HSDPA và HSUPA của UMTS cũng được phát triển dựa trên chuẩn TD-CDMA, mang lại hiệu suất cải tiến cho mạng di động.
Chuẩn đƣợc ít biết đến hơn là TD-SCDMA (Time Division Synchronous
Công nghệ Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) đang được phát triển tại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens như một giải pháp thay thế cho W-CDMA Nó thường bị nhầm lẫn với chuẩn TD-CDMA, nhưng TD-SCDMA dựa trên nền tảng UMTS-TDD hoặc IMT 2000 Time-Division Trong khi TD-CDMA được hình thành từ giao thức cùng tên, TD-SCDMA lại phát triển dựa trên giao thức của S-CDMA.
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) là công nghệ tiên tiến giúp nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động 3G UMTS, thường được gọi là 3,5G Tốc độ tải xuống của HSDPA hiện nay đạt 1,8; 3,6; 7,2 và 14,4 Mbps Công nghệ này được thiết kế để phục vụ cho các ứng dụng dữ liệu, bao gồm tải tệp, phân phối email, duyệt web, truy cập server, tìm kiếm và phục hồi cơ sở dữ liệu, cũng như dịch vụ streaming.
Kết luận chương
Chương này tóm tắt quá trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ đầu tiên đến 3,5G Thế hệ di động đầu tiên, ra đời vào cuối những năm 1970, sử dụng công nghệ tín hiệu tương tự với chất lượng thấp Thế hệ thứ hai cải tiến công nghệ bằng cách áp dụng tín hiệu số, mang lại chất lượng tốt hơn và giới thiệu các dịch vụ dữ liệu như SMS Thế hệ thứ ba nâng cao tốc độ và dịch vụ, cho phép truyền tải dữ liệu nhanh gấp nhiều lần so với 2G Cuối cùng, công nghệ 3,5G HSDPA mang đến sự cải tiến vượt bậc về tốc độ, so sánh với internet hữu tuyến tốc độ cao.
NỀN TẢNG 3G WCDMA UMTS
Các tham số chính của WCDMA UMTS
WCDMA có hai tiêu chuẩn thương mại là UMTS và FOMA, trong đó UMTS được triển khai tại Việt Nam và là nền tảng cho sự phát triển của HSDPA sau này Hệ thống WCDMA sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp, cho phép luồng thông tin được trải trên băng thông rộng bằng cách nhân dữ liệu với chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên PN Tốc độ chip trong WCDMA đạt 3,84 Mchip/s, với hệ số trải phổ dao động từ 4 đến 512.
WCDMA hỗ trợ truyền dẫn với tốc độ thay đổi, cho phép sử dụng băng thông theo nhu cầu Trong một khung truyền dẫn, tốc độ dữ liệu là cố định, nhưng giữa các khung có thể khác nhau Để hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao, hệ số trải phổ (SF) có thể thay đổi và kết nối dựa trên nhiều mã trải phổ Tốc độ bit được hỗ trợ bởi một mã dao động từ 1 đến 936 Kbps, và có thể đạt đến 2,3 Mbps nếu sử dụng 3 mã song song.
Hình 2.1 Phổ theo lý thuyết hai sóng mang WCDMA với băng tần 5 MHz
WCDMA hoạt động với hai chế độ song công chính là FDD và TDD Chế độ FDD sử dụng các cặp tần số sóng mang 5 MHz cho kênh truyền dẫn hướng lên và xuống tương ứng, trong khi TDD chỉ cần một sóng mang 5 MHz cho cả hai hướng, phân chia theo thời gian TDD thường được áp dụng trong các băng tần không chia cặp được, nhưng trong thực tế, chế độ FDD thường được ưa chuộng hơn.
WCDMA sử dụng băng tần truyền dẫn 5 MHz, với thông số kỹ thuật cho phép linh hoạt trong việc xác định tần số trung tâm chính xác trong phổ tần.
Băng tần thực tế của WCDMA có thể nhỏ hơn 5 MHz, thậm chí xuống tới 4,4 MHz, điều này cần được chú ý để tránh gây ra nhiễu trong mạng Ngoài việc hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao, băng thông lớn của WCDMA còn mang lại nhiều lợi ích khác, bao gồm việc tăng hệ số phân tập đa đường.
Quá trình truyền dữ liệu trong WCDMA đƣợc tách ra thành các khung vô tuyến cú độ dài 10 ms bao gồm 15 khe thời gian 666 às (2560 chips)
Các BTS trong WCDMA (Node B) hoạt động ở chế độ không đồng bộ, do đó không cần nguồn đồng hồ đồng bộ như GPS cho toàn bộ mạng Chế độ này giúp WCDMA dễ dàng triển khai trong các cấu hình indoor và micro cell.
WCDMA áp dụng tách sóng nhất quán cho cả hai hướng lên và xuống thông qua các ký hiệu dẫn đường Chế độ tách sóng này đã được triển khai trên đường xuống trong mạng 2G IS-95.
Giao diện vô tuyến của WCDMA cho phép nhà vận hành lựa chọn công nghệ máy thu hiện đại, bao gồm hệ thống ăng-ten thích ứng, nhằm nâng cao dung lượng mạng và mở rộng vùng phủ sóng của các trạm thu phát.
WCDMA được phát triển để hoạt động song song với hệ thống GSM thế hệ 2, cho phép chuyển giao linh hoạt giữa hai hệ thống này Điều này đảm bảo việc triển khai mạng 3G-WCDMA diễn ra một cách mềm dẻo và hiệu quả.
Bảng 2.1 Các thông số chính của WCDMA UMTS
Phương thức đa truy nhập DS-CDMA
Phương thức song công FDD/TDD
Việc đồng bộ trạm gốc Hoạt động không đồng bộ
Lặp 0,22 với độ dài khung 10 ms sử dụng điều chế trải phổ DL/UL QPSK/OCQPSK (HPSK) và điều chế dữ liệu DL/UL QPSK/BPSK Hệ thống này hỗ trợ đa tốc độ với trải phổ biến đổi và đa mã.
Chuyển giao mềm (Soft handoff) Chuyển giao khác tần số
Tách sóng Tách sóng kết hợp sử dụng đại diện kênh pilot hoặc kênh pilot chung
Tách sóng nhiều người sử dụng, các Anten thông minh Đƣợc hỗ trợ bởi các chuẩn, tuỳ chọn trong quá trình thực thi
Cấu trúc tổng quan 3G WCDMA UMTS
Cấu trúc 3G WCDMA UMTS mang tính linh hoạt cao, cho phép tích hợp và chuyển tiếp với các công nghệ cũ như GSM Hệ thống này được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và dịch vụ của người dùng thông qua nâng cấp lên HSDPA Bài viết dưới đây sẽ cung cấp thông tin ngắn gọn về cấu trúc và các tính năng thông thường hỗ trợ việc truyền dữ liệu.
27 liệu gói Mục đích là cung cấp thông tin ngắn gọn về nền tảng mà những cải tiến sau này dựa vào nó
Một mạng UMTS bao gồm 2 phần: phần truy nhập vô tuyến (UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN) và phần mạng lõi (core)
Hình 2.2 Cấu trúc mạng WCDMA UMTS
Phần truy nhập vô tuyến trong hệ thống bao gồm Node B và RNC, trong khi phần core được chia thành hai loại: core cho dữ liệu với SGSN và GGSN, và core cho giọng nói với MCS và GMSC Ngoài ra, còn có cổng các phương tiện (MGW: Media Gateway) để hỗ trợ truyền tải MSC chứa phần mềm điều khiển cuộc gọi và quản lý di động, nhưng không bao gồm ma trận chuyển mạch, mà ma trận này được đặt trong MGW và được điều khiển bởi MSC Server, có thể ở vị trí xa MSC Server.
Node B có vai trò chính trong việc xử lý lớp vật lý (L1) tại giao diện vô tuyến, bao gồm các chức năng như mã hóa kênh, hoán vị, trải phổ và điều chế Ngoài ra, Node B cũng thực hiện một số chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến, chẳng hạn như điều khiển công suất vòng trong.
RNC (Radio Network Controller) là thiết bị điều khiển mạng vô tuyến, có nhiệm vụ quản lý nhiều NodeB RNC đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập cuộc gọi, kiểm soát chất lượng dịch vụ và quản lý nguồn tài nguyên trong mạng di động.
Trong mạng WCDMA, 28 vô tuyến được đảm bảo trong các cell, với hầu hết các tính năng "thông minh" của mạng truy cập vô tuyến được thực hiện tại RNC NodeB trong WCDMA hoạt động chủ yếu như các modem.
Khi Node B chỉ kết nối với một mạng, RNC sẽ được gọi là CRNC và chịu trách nhiệm điều khiển Node B Ngược lại, nếu Node B kết nối với nhiều mạng, các RNC sẽ được phân loại thành hai loại khác nhau dựa trên vai trò logic của chúng.
RNC phục vụ (Serving RNC) là thành phần kết nối giữa đường lưu lượng và báo hiệu RANAP với mạng lõi, đồng thời quản lý tín hiệu điều khiển tài nguyên vô tuyến giữa UE và UTRAN Nó cũng xử lý dữ liệu lớp 2 (L2) từ và tới giao diện vô tuyến Đáng chú ý, SRNC của một Node B có thể đồng thời là CRNC của một Node B khác.
RNC trôi (Drift RNC) là loại RNC khác với SRNC, được sử dụng để điều khiển các ô bởi MS DRNC có khả năng thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô khi cần thiết Tuy nhiên, DRNC không xử lý dữ liệu ở lớp 2 từ hoặc tới giao diện vô tuyến, mà chỉ thực hiện việc định tuyến dữ liệu một cách trong suốt giữa các giao diện Iub và Iur Một UE có thể có hoặc không có một hoặc nhiều DRNC.
Các Giao diện trong mạng:
Giao diện Iub là một trong những giao diện quan trọng nhất trong hệ thống mạng UMTS, vì tất cả lưu lượng thoại và dữ liệu đều được truyền tải qua đây, tạo nên yếu tố ràng buộc chính đối với nhà cung cấp thiết bị Việc định cỡ giao diện này rất quan trọng, do đặc điểm của giao diện vật lý với BTS dẫn đến dung lượng Iub có giá trị quy định Để kết nối với BTS, có thể sử dụng các luồng E1, E3 hoặc STM1, và nếu cần thiết, có thể dùng luồng T1, DS-3 hoặc OC-3 Điều này cho phép dung lượng các đường truyền dẫn đến RNC có thể cao hơn tổng tải của giao diện Iub tại RNC Ví dụ, khi kết nối 100 BTS với dung lượng Iub mỗi BTS là 2,5 Mbps, trong đó mỗi BTS có hai luồng 2 Mbps, tổng dung lượng khả dụng của giao diện Iub sẽ là 100 x 2.
29 x 2 = 400 Mbps Tuy nhiên tổng tải của giao diện Iub tại RNC vẫn là 250 Mbps chứ không phải là 400 Mbps
Giao diện Iur trong cấu hình của mạng UMTS đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao mềm giữa các Node B thuộc các RNC khác nhau Nó truyền tải thông tin của các thuê bao trong quá trình chuyển giao mềm, và băng thông của giao diện Iur gần gấp đôi lưu lượng do chuyển giao này gây ra, tương tự như giao diện Iub.
Giao diện Iu là giao diện kết nối giữa mạng lõi CN và mạng truy nhập vô tuyến UTRAN Giao diện này gồm hai thành phần chính là:
Giao diện Iu-CS chủ yếu được thiết kế để truyền tải lưu lượng thoại giữa RNC và MSC/VLR Việc xác định kích thước của giao diện này phụ thuộc vào lưu lượng dữ liệu chuyển mạch kênh, trong đó chủ yếu là lưu lượng thoại.
Giao diện Iu-PS là kết nối giữa RNC và SGSN, với kích thước phụ thuộc vào lưu lượng dữ liệu chuyển mạch gói Việc định cỡ giao diện này phức tạp hơn giao diện Iub do có nhiều dịch vụ dữ liệu gói với tốc độ truyền khác nhau.
Giao diện Uu là giao diện không dây duy nhất của mạng UMTS, sử dụng kỹ thuật FDD/TDD WCDMA để truyền thông Trong kiến trúc mạng UMTS, giao diện Uu được xem là "nút cổ chai" do khả năng giới hạn tốc độ truyền thông tin Việc tăng tốc độ data rate của giao diện này sẽ giúp cải thiện tốc độ của mạng UMTS Thế hệ tiếp theo của UMTS đã chuyển sang sử dụng OFDMA kết hợp MIMO để nâng cao hiệu suất truyền tải.
RNC kết nối với mạng điện thoại truyền thông và internet thông qua mạng lõi dựa vào các giao thức như hình dưới
Hình 2.3 Cấu trúc giao thức vô tuyến cho WCDMA
Ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến bao gồm 3 lớp giao thức:
Lớp vật lý (L1) Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến nhƣ điều chế và mã hóa, trải phổ v.v
Lớp liên kết nối số liệu (L2) chịu trách nhiệm lập khuôn số liệu thành các khối và đảm bảo việc truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hoặc các thực thể đồng cấp.
Lớp mạng (L3) Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến
Mỗi khối đại diện cho một trường hợp cụ thể của giao thức tương ứng, trong khi các đường không liền nét thể hiện các giao diện điều khiển Qua đó, giao thức RRC thực hiện việc điều khiển và cấu hình các lớp dưới.
Các kênh của WCDMA
Các kênh của WCDMA đƣợc chia thành các loại kênh sau đây:
Kênh vật lý (PhCH) là phương tiện truyền tải dữ liệu qua giao diện vô tuyến, với mỗi PhCH có một trải phổ mã định kênh duy nhất để phân biệt với các kênh khác Người sử dụng có thể lựa chọn sử dụng kênh riêng, kênh chung hoặc kết hợp cả hai Kênh riêng được dành riêng cho một thiết bị người dùng (UE), trong khi kênh chung được chia sẻ giữa nhiều UE trong cùng một ô.
Kênh truyền tải (TrCH) Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số liệu Các kênh TrCH đƣợc sắp xếp lên các PhCH
Kênh Logic (LoCH) Kênh đƣợc lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn Kênh LoCH đƣợc xác định bởi kiểu thông tin mà nó truyền
Các kênh logic (LoCH) được phân chia thành hai nhóm chính: kênh điều khiển (CCH) dùng để truyền thông tin điều khiển và kênh lưu lượng (TCH) phục vụ cho việc truyền tải thông tin của người sử dụng Bảng 2.2 tổng hợp các kênh logic và ứng dụng của chúng.
Bảng 2.2 Danh sách các kênh logic
Nhóm kênh Kênh logic Ứng dụng
BCCH (Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá)
Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin hệ thống
PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi)
Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi
CCCH (Common Control Channel: Kênh điều khiển chung)
Kênh hai chiều để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE Đƣợc sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới
DCCH (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng)
Kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa
UE và mạng Đƣợc thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC
DTCH (Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng)
Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng DTCH có thể tồn tại cả ở đường lên lẫn đường xuống
CTCH (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung)
Kênh một chiều điểm đa điểm cho phép người sử dụng truyền thông tin đến một nhóm người hoặc một cá nhân cụ thể Kênh này chỉ hoạt động theo hướng xuống, đảm bảo thông tin được gửi đi một cách hiệu quả.
2.3.2 Các kênh truyền tải, TrCH
Các kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải, bao gồm hai loại: kênh riêng và kênh chung Kênh chung là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm người sử dụng trong ô, trong khi kênh riêng được dành riêng cho một người sử dụng duy nhất Các kênh truyền tải chung bao gồm BCH (Kênh quảng bá), FACH (Kênh truy nhập nhanh), PCH (Kênh tìm gọi), DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống), và CPCH (Kênh gói chung), trong khi kênh riêng chỉ có DCH (Kênh riêng) Kênh truyền tải chung có thể phục vụ tất cả người sử dụng trong ô hoặc một số người cụ thể; khi phát thông tin cho tất cả, kênh này không cần địa chỉ Ví dụ, kênh BCH phát thông tin quảng bá cho tất cả người sử dụng, trong khi kênh PCH cần phát thông tin nhận dạng người sử dụng cho một UE cụ thể.
Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dƣợc cho ở bảng 2.3
Bảng 2.3 Danh sách các kênh truyền tải
Kênh truyền tải ứng dụng
Kênh hai chiều là công cụ truyền dữ liệu riêng biệt cho từng người sử dụng, cho phép điều chỉnh tốc độ và kiểm soát công suất một cách nhanh chóng.
Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (chẳng hạn thông tin hệ thống, thông tin ô)
Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng Kênh chia sẻ chung cho nhiều
UE Đƣợc sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn
Kênh chung dường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi
Kênh chung là phương tiện truyền tải thông tin điều khiển và dữ liệu người sử dụng, được áp dụng trong các hệ thống truy cập ngẫu nhiên Kênh này thường được sử dụng để truyền tải dữ liệu có băng thông thấp từ người dùng.
Packet Channel: Kênh gói chung)
Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm
Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống)
Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói Chia sẻ cho nhiều UE Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao
Các kênh logic đƣợc chuyển thành các kênh truyền tải nhƣ cho trên hình 2.4
Hình 2.4 Chuyển đổi giữa các LoCH và TrCH trên đường lên và đường xuống
Hình 2.5 Tổng kết các kiểu kênh vật lý
Kênh vật lý được định nghĩa là sự kết hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và pha tương đối cho đường lên Trong đó, kênh vật lý bao gồm các kênh vật lý riêng (DPCH - Dedicated Physical Channel) và kênh vật lý chung (CPCH - Common Physical Channel) Thông tin về các kênh vật lý được tóm tắt trong hình 3.7 và bảng 2.4.
Bảng 2.4 Danh sách các kênh vật lý
Physical Channel: Kênh vật lý riêng)
Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được chỉ định riêng cho UE, bao gồm DPDCH (Kênh vật lý điều khiển riêng) và DPCCH (Kênh vật lý điều khiển riêng) Trên đường xuống, DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức, trong khi trên đường lên, chúng được ghép mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức.
Kênh vật lý số liệu riêng
Khi sử dụng DPCH, mỗi UE đƣợc ấn định ít nhất một DPDCH Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn
Kênh vật lý điều khiển riêng)
Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH, kênh này điều khiển lớp vật lý của DPCH DPCCH đi kèm với DPDCH, chứa các ký hiệu hoa tiêu, ký hiệu điều khiển công suất (TPC) và chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải Ký hiệu hoa tiêu giúp máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán, đồng thời hỗ trợ hoạt động của anten thích ứng với búp sóng hẹp TPC điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống TFCI cung cấp thông tin về các thông số tức thời của các kênh truyền tải và có thể bị bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp (FBI) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa.
Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên)
Kênh chung đường lên Được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH
Kênh vật lý gói chung)
Kênh chung đường lên Được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH
Channel: Kênh hoa tiêu chung)
Kênh chung đường xuống bao gồm hai loại kênh CPICH: P-CPICH (CPICH sơ cấp) và S-CPICH (CPICH thứ cấp) P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô, giúp UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICH, do các kênh này không có hoa tiêu riêng như các kênh DPCH Trong khi đó, S-CPICH cung cấp tham khảo nhất quán trong một phần ô hoặc đoạn ô, đặc biệt khi sử dụng anten thông minh với búp sóng hẹp, và có thể được dùng làm tham chuẩn cho S-CCPCH và các kênh DPCH đường xuống.
Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp)
Kênh chung đường xuống Mỗi ô có một kênh để truyền BCH
Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp)
Kênh chung đường xuống Một ô có thể có một hay nhiều S-CCPCH Đƣợc sử dụng để truyền PCH và FACH
Kênh chung đường xuống bao gồm hai loại kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp Mỗi ô chỉ có một kênh SCH sơ cấp và một kênh SCH thứ cấp, được sử dụng để xác định vị trí ô.
Kênh vật lý chia sẻ đường xuống)
Kênh chung đường xuống Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc không có) Đƣợc sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH
Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của
Channel: Kênh chỉ thị tìm gọi)
Kênh chung đường xuống S-CCPCH được sử dụng để phát thông tin kết thúc cuộc gọi cho từng nhóm Khi nhận thông báo kết thúc, thiết bị người dùng (UE) trong nhóm cuộc gọi thứ n sẽ thu nhận khung vô tuyến từ S-CCPCH.
Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập)
Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH
Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm
Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH Được sử dụng để điều khiển va chạm PCPCH
Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH)
Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH
Các kênh truyền tải đƣợc chuyển thành các kênh vật lý nhƣ trên hình 2.6
Hình 2.6 Chuyển đổi giữa các kênh truyền tải và các kênh vật lý
Hình 2.7 cho thấy việc ghép hai kênh truyền tải lên một kênh vật lý và cung cấp chỉ thị lỗi cho từng khối truyền tải tại phía thu
Hình 2.7 Ghép các kênh truyền tải lên kênh vật lý
Kết luận chương
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về WCDMA UMTS, nhấn mạnh các tham số chính của mạng WCDMA sử dụng chuỗi trải phổ trực tiếp với tốc độ chip 3,84 Mchip/s và hệ số trải phổ từ 4 đến 512, cho phép tốc độ thay đổi linh hoạt Hệ thống hoạt động với hai chế độ song công FDD và TDD trên băng tần 5MHz, đồng thời các BTS hoạt động không đồng bộ và sử dụng tách sóng nhất quán cho cả hai hướng truyền WCDMA được thiết kế để hỗ trợ các công nghệ hiện đại và cho phép chuyển giao giữa WCDMA và GSM Chương cũng trình bày cấu trúc tổng quát của mạng, bao gồm phần truy nhập vô tuyến (UTRAN) và mạng lõi, cùng với các thành phần và giao diện cơ bản Cuối cùng, chương đề cập đến các kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý trong mạng.
CÔNG NGHỆ HSDPA
Tổng quan về HSDPA
Tốc độ dữ liệu tối đa của mạng WCDMA hiện tại chỉ đạt 2Mbps trong điều kiện lý tưởng, trong khi thực tế chỉ là 384 Kbps Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về dữ liệu tốc độ cao, 3GPP đã phát triển công nghệ HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) trong phiên bản R5, cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống Đây được coi là một bước đột phá quan trọng trong mạng truy cập vô tuyến WCDMA, nhằm nâng cao khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói và sẽ tiếp tục mở rộng tốc độ dữ liệu trên đường lên (uplink).
HSDPA sẽ tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu và nâng cao chất lượng dịch vụ QoS, đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng băng tần đường xuống không đối xứng để đáp ứng nhu cầu tăng cao của các dịch vụ dữ liệu gói Khi được triển khai, HSDPA có khả năng hoạt động song song với hệ thống truyền dẫn hiện tại của Phiên bản 99 WCDMA, giúp tích hợp một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí HSDPA được thiết kế cho các ứng dụng dịch vụ dữ liệu như tải tệp, phân phối email, duyệt web, truy cập server, tìm kiếm và phục hồi cơ sở dữ liệu, cũng như các dịch vụ streaming audio/video.
Tốc độ tối đa của HSDPA đã tăng từ 1,8 Mbps ban đầu lên 3,6 Mbps và 7,2 Mbps vào năm 2006 và 2007 Đến năm 2008, tốc độ này đã vượt qua 14,4 Mbps, với tiềm năng tăng gấp nhiều lần trong tương lai.
HSDPA 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
Hình 3.1 Biểu đồ cột so sánh thời gian download của các công nghệ.
Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA
Hình 3.2 mô tả các tính năng cơ bản của HS-DSCH đƣợc bổ sung hoặc bị loại đi so với công nghệ WCDMA
Hình 3.2 Các tính năng cơ bản của HSDPA khi so sánh với WCDMA
Với kênh truyền tải mới, hai tính năng quan trọng của công nghệ CDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng trong WCDMA Trong WCDMA, điều khiển công suất được thực hiện để duy trì chất lượng tín hiệu nhận được (Eb/No) Tuy nhiên, điều này có thể dẫn đến các giá trị đỉnh trong công suất phát và gia tăng nền nhiễu đa truy cập, từ đó làm giảm dung lượng của toàn mạng.
Sự hoạt động của điều khiển công suất trong Node B yêu cầu duy trì một mức dự trữ công suất nhất định để thích ứng với biến đổi Việc loại bỏ điều khiển công suất giúp tránh các hiệu ứng tăng công suất và giảm nhu cầu về dự trữ công suất phát Tuy nhiên, HSDPA cần áp dụng các kỹ thuật khác để điều chỉnh tham số tín hiệu phát, nhằm liên tục theo dõi và thích ứng với biến thiên của kênh truyền vô tuyến.
Kỹ thuật AMC cho phép điều chế và tỉ lệ mã hoá được điều chỉnh liên tục theo chất lượng kênh, thay vì chỉ kiểm soát công suất Trong quá trình thích ứng liên kết, việc sử dụng nhiều mã Walsh cũng đóng vai trò quan trọng Sự kết hợp của hai kỹ thuật này đã hoàn toàn thay thế kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA, nhờ vào khả năng thích ứng nhanh với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.
HSDPA không sử dụng điều khiển công suất, vì vậy cần tối thiểu hóa sự thay đổi chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI Điều này được thực hiện bằng cách giảm độ rộng của TTI từ 10 ms ở WCDMA xuống còn 2 ms ở HSDPA.
Kỹ thuật HARQ nhanh không chỉ cho phép phát lại các block dữ liệu bị mất hoặc lỗi một cách hiệu quả mà còn kết hợp thông tin mềm từ lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau.
Cấu trúc HSDPA
Để thu thập thông tin về chất lượng kênh, các kỹ thuật thích ứng liên kết và lập biểu gói giám sát liên tục các điều khiển vô tuyến của thuê bao di động Lớp điều khiển trung gian MAC giám sát kênh nhanh, cho phép Bộ lập biểu gói nhanh và tận dụng đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH, mang lại lợi ích lớn trong việc cải thiện thông lượng của tế bào Việc chuyển chức năng lập biểu gói đến Node B đánh dấu sự thay đổi quan trọng trong cấu trúc so với WCDMA.
Khác với các kênh truyền tải theo kiến trúc R99, các kênh HS-DSCH kết thúc tại Node-B Để điều khiển kênh HS-DSCH, lớp MAC-hs quản lý tài nguyên của kênh này tại Node-B, cho phép nhận thông tin về chất lượng kênh hiện tại, từ đó giám sát chất lượng tín hiệu cho các thuê bao tốc độ thấp Vị trí của MAC-hs tại Node-B cũng cho phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, giúp quá trình phát lại nhanh chóng và hiệu quả hơn thông qua yêu cầu phát lại tự động lai ghép.
Lớp MAC-hs quản lý chức năng HARQ cho từng người dùng, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa các MAC-d dựa trên sự ưu tiên của chúng, chẳng hạn như lập lịch gói Nó cũng lựa chọn khuôn dạng truyền tải phù hợp cho mỗi TTI, ví dụ như thích ứng liên kết Các lớp giao diện vô tuyến trên MAC vẫn giữ nguyên so với kiến trúc R99, vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất truyền tải của các kênh logic.
MAC-hs lưu trữ dữ liệu người dùng qua giao diện vô tuyến, gây ra thách thức trong việc tối ưu hóa dung lượng bộ nhớ đệm của Node-B Việc chuyển dữ liệu đến Node-B yêu cầu một cơ chế điều khiển luồng, được gọi là HS-DSCH Frame Protocol, nhằm duy trì bộ nhớ đệm tại Node-B luôn đầy.
Hình 3.3 Cấu trúc giao diện vô tuyến HSDPA cho số liệu người sử dụng
HS-DSCH không hỗ trợ chuyển giao mềm do sự phức tạp trong việc đồng bộ hóa quá trình phát từ các cell khác nhau Tuy nhiên, HS-DSCH có khả năng hỗ trợ tùy chọn phủ toàn bộ hoặc phủ một phần cell.
Hình 3.4 cho thấy các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đƣa vào HSDPA
Hình 3.4 Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi lên HSDPA
Các kỹ thuật HSDPA được thiết kế để thích ứng nhanh với biến đổi trong điều kiện kênh, do đó chúng cần được triển khai gần với giao diện vô tuyến tại nút B Một mục tiêu quan trọng của HSDPA là duy trì sự phân chia chức năng giữa các lớp và nút trong R3, đồng thời giảm thiểu sự thay đổi cấu trúc để đơn giản hóa việc tích hợp HSDPA vào các mạng hiện có và đảm bảo hoạt động hiệu quả trong các môi trường không đồng nhất Để thực hiện điều này, HSDPA giới thiệu một lớp con MAC mới, MAC-hs, có nhiệm vụ lập biểu, điều khiển tốc độ và khai thác giao thức HARQ, chủ yếu ảnh hưởng đến nút B, ngoại trừ một số cải tiến cho RNC liên quan đến việc cấp phép HSDPA cho người dùng.
Mỗi UE sử dụng HSDPA nhận tín hiệu từ ô phục vụ qua HS-DSCH, nơi đảm nhận việc lập biểu, điều khiển tốc độ, HARQ và các chức năng MAC-hs khác Hệ thống cũng hỗ trợ chuyển giao mềm đường lên, cho phép truyền dẫn dữ liệu từ nhiều ô, trong khi UE nhận lệnh điều khiển công suất từ các ô này.
Di động từ ô hỗ trợ HSDPA sang ô không hỗ trợ HSDPA được thực hiện dễ dàng, đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn cho người dùng, mặc dù với tốc độ dữ liệu thấp hơn Việc chuyển mạch kênh trong RNC cho phép người dùng được chuyển sang kênh dành riêng (DCH) trong ô không có HSDPA Tương tự, người dùng có thiết bị hỗ trợ HSDPA có thể chuyển từ kênh riêng sang HSDPA khi di chuyển vào ô có hỗ trợ HSDPA.
Cấu trúc kênh tổng thể của HSDPA kết hợp WCDMA đƣợc cho trên hình 3.6
Hình 3.6 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 trên nhiều kênh vật lý HS-PDSCH, cho phép truyền tải lưu lượng gói chia sẻ cho nhiều người sử dụng với hệ số trải phổ không đổi là 16 Cấu hình tối đa của HS-DSCH là 15SF16, đạt tốc độ đỉnh 14,4 Mbps khi sử dụng điều chế 16QAM và tỷ lệ mã 1/1 Các người sử dụng chia sẻ HS-DSCH dựa trên số kênh vật lý HS-PDSCH và khoảng thời gian truyền dẫn TTI là 2ms.
HS-SCCH (Kênh Điều Khiển Chia Sẻ Tốc Độ Cao) sử dụng hệ số trải phổ 128 và có cấu trúc thời gian dựa trên khung con dài 2ms, tương đương với độ dài của HS-DSCH Các thông tin quan trọng được truyền tải trên HS-SCCH.
- Kích thước khối truyền tải
- Gói đƣợc phát là gói mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC
- Phiên bản chùm tín hiệu
Khi HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo thời gian, chỉ cần cấu hình một HS-SCCH, trong khi đó, chế độ ghép theo mã yêu cầu nhiều HS-SCCH hơn Một UE có khả năng xem xét tối đa 4 HS-SCCH tùy thuộc vào cấu hình do hệ thống thiết lập.
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 lƣợng 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 nhƣ ở R3
F-DPCH (Kênh Vật Lý Chuyên Dùng Phân Mảnh) đường xuống sử dụng hệ số trải phổ 256, mang theo thông tin điều khiển công suất cho 10 người sử dụng, nhằm tối ưu hóa việc tiết kiệm tài nguyên mã trong quá trình truyền dẫn gói.
Nguyên lý hoạt động của HSDPA
Hình 3.7 Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA
HSDPA gồm các giải pháp:
- Truyền dẫn kênh chia sẻ
- Mã hoá và điều chế thích ứng AMC
- Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ
- Lập biểu nhanh phụ thuộc kênh
Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B, giúp người sử dụng dễ dàng truy cập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến cho phép điều chỉnh tốc độ dữ liệu người sử dụng phù hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.
Trong quá trình kết nối, UE định kỳ gửi CQI (Channel Quality Indicator) tới Node-B để thông báo tốc độ dữ liệu mà thiết bị có thể hỗ trợ dưới điều kiện vô tuyến hiện tại Đồng thời, UE cũng gửi báo nhận (Ack/Nack) cho mỗi gói dữ liệu, giúp Node-B biết thời điểm cần lặp lại quá trình truyền Thiết bị sắp xếp gói tin thực hiện việc sắp xếp công bằng các gói từ các UE trong cùng một cell, dựa trên thống kê chất lượng kênh tương ứng.
Chất lượng kênh đường truyền của từng người sử dụng là yếu tố quan trọng cần xem xét, bao gồm tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm (Es/No) và chất lượng bộ tách UE Nút B có khả năng ước lượng tốc độ dữ liệu hỗ trợ cho mỗi UE thông qua việc giám sát các lệnh điều khiển công suất phát theo chu kỳ và giá trị CQI của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý tốc độ cao (HS-DPCCH), kênh này cũng chứa thông tin báo hiệu (Ask/Nask) dưới dạng gói dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết Sau khi xác định được chất lượng kênh, hệ thống sẽ tiến hành chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa các người sử dụng khác nhau.
Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC tại nút B cho phép truy cập nhanh hơn đến các giá trị đo lường tuyến kết nối, đồng thời lập lịch gói hiệu quả và nhanh chóng hơn, kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn So với kỹ thuật WCDMA, kênh HS-DSCH không hoạt động với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ thay đổi Nhờ vào kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM và hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kbps đến hơn 10 Mbps.
50 chế và mã hoá thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và đƣợc mở rộng hơn nữa số đa mã khả dụng
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) đƣợc 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 Downlink 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 trình bày trong hình 3.8, với tài nguyên mã bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 Số mã có thể sử dụng để cấu hình cho HS-DSCH dao động từ 1 đến 15, trong khi các mã không dành cho HS-DSCH được sử dụng cho các mục đích khác như báo hiệu điều khiển, dịch vụ MBMS và dịch vụ chuyển mạch kênh.
Phần dưới của hình 3.8 trình bày cách phân bổ tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng với TTI là 2ms HSPDA áp dụng TTI ngắn nhằm giảm độ trễ và nâng cao khả năng theo dõi các biến đổi của kênh, phục vụ cho việc điều khiển tốc độ và lập biểu phụ thuộc kênh, sẽ được phân tích trong các phần sau.
Trong hệ thống truyền dẫn HS-DSCH, một phần tổng công suất khả dụng của ô cần được chỉ định cho HS-DSCH, bên cạnh việc phân bổ một bộ phận của tổng tài nguyên mã khả dụng HS-DSCH không điều khiển công suất mà điều khiển tốc độ Khi sử dụng tần số chung với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, phần công suất còn lại có thể được sử dụng cho HS-DSCH, giúp tối ưu hóa việc khai thác tổng tài nguyên công suất khả dụng.
Hình 3.8 Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH
3.4.2 Điều chế và mã hoá thích ứng-Kỹ thuật truyền dẫn đa mã
HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng để thay thế các phương pháp điều khiển công suất và hệ số trải phổ trong hệ thống WCDMA Trong thông tin di động, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) tại thiết bị người dùng thường dao động từ 30 – 40 dB do fading nhanh và đặc điểm địa hình trong một cell HSDPA điều chỉnh quá trình điều chế, tỷ lệ mã hóa và số mã định kênh dựa trên điều kiện vô tuyến hiện tại, trong đó sự kết hợp của điều chế và mã hóa thích ứng được gọi là AMC.
HSDPA kết hợp với phương thức điều chế 16QAM nhằm tăng tốc độ dữ liệu đỉnh cho người dùng trong điều kiện vô tuyến tối ưu, trong khi QPSK là phương thức bắt buộc cho thông tin di động Việc sử dụng đồng thời cả hai phương thức này, đặc biệt là 16QAM, đặt ra thách thức về độ phức tạp cho bộ thu đầu cuối, yêu cầu xác định biên độ của các ký hiệu nhận được, khác với QPSK chỉ cần tách pha tín hiệu Bộ mã hóa Turbo dựa trên mã hóa Turbo R99 với tỷ lệ mã hóa 1/3 có thể tạo ra các tỷ lệ mã hiệu quả khác trong khoảng từ 1/6 đến 1/1 thông qua các kỹ thuật ghép, chích và lặp mã, dẫn đến việc tạo ra một dãy tỷ lệ mã lên đến 64 giá trị.
52 trị khác nhau Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tì lệ mã đƣợc gọi là Lƣợc đồ
Mã hóa và Điều chế (MCS - Modulation and Coding Scheme) là yếu tố quan trọng trong HSDPA, với Bảng 3.1 liệt kê các tập MCS phổ biến và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng cho từng MCS.
Kỹ thuật phát đa mã không chỉ là một phương pháp phát sóng mà còn là công cụ thích ứng liên kết hiệu quả Khi điều kiện kênh vô tuyến tốt, Node-B có khả năng phát nhiều mã song song, giúp đạt được thông lượng dữ liệu đỉnh cao Chẳng hạn, với MCS 5 và bộ 15 đa mã, tốc độ dữ liệu tối đa có thể lên tới 14Mbps với tỉ lệ mã hóa gần 1.
Kỹ thuật phát đa mã giúp tăng dải động của AMC lên khoảng 12dB, với dải động thích ứng liên kết đạt khoảng 30dB So với dải động của kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA chỉ khoảng 20dB, dải động trong HSDPA cao hơn khoảng 10dB.
Bảng 3.1 Tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi MSC Điều chế
Thông lƣợng với 10 mã Thông lƣợng với 15 mã
Với tỉ lệ mã 1 trong các điều kiện lý tưởng tốc độ HSDPA có thể đạt tới 14,4
3.4.3 Kỹ thuật H-ARQ với kết hợp mềm
Khi sử dụng HSDPA với hiệu suất phổ cao nhất, tỷ lệ lỗi khối BLER sau lần truyền đầu tiên nên nằm trong khoảng 10-20% Giải pháp HSDPA áp dụng cơ chế yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ nhằm mục đích giảm thiểu độ trễ.
Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) là phương pháp kết hợp mã hóa sửa lỗi trước (FEC) và điều khiển lỗi ARQ, giúp cải thiện hiệu suất tái truyền dữ liệu Trong HARQ, mã sửa lỗi như mã Reed-Solomon, mã xoắn hay mã turbo không chỉ phát hiện lỗi mà còn sửa chữa một số lỗi mà ARQ không thể xử lý ngay lần đầu Kết quả là HARQ hoạt động hiệu quả hơn ARQ trong điều kiện tín hiệu kém, nhưng lại có thông lượng thấp hơn trong điều kiện tín hiệu tốt Có một ngưỡng chất lượng tín hiệu mà dưới đó HARQ hoạt động tốt hơn, trong khi trên ngưỡng đó ARQ lại cho kết quả tốt hơn.
Cấu trúc lớp vật lý HSDPA
HSDPA kết hợp giữa DSCH và DCH, cung cấp dịch vụ với độ trễ thấp hơn, như dịch vụ thoại AMR Để hỗ trợ các tính năng của HSDPA, ba kênh mới đã được giới thiệu trong đặc tính kỹ thuật của lớp vật lý.
HS-DSCH mang dữ liệu người sử dụng trên đường xuống, với tốc độ đỉnh lên tới trên 10 Mbps với 16 QAM
HS-SCCH cung cấp thông tin điều khiển lớp vật lý cần thiết cho việc giải mã dữ liệu trên HS-DSCH, đồng thời hỗ trợ việc kết hợp dữ liệu đã gửi lên HS-DSCH trong trường hợp cần truyền lại hoặc khi có lỗi xảy ra với một gói dữ liệu.
HS-DPCCH cung cấp thông tin điều khiển thiết yếu trong đường lên, bao gồm xác nhận ARQ (cả đúng lẫn sai) và thông tin phản hồi về chất lượng kênh đường xuống.
Ba loại kênh này đƣợc thảo luận trong các phần sau
3.5.1 Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH)
HS-DSCH có những đặc trưng cụ thể được so sánh với các kênh trong Release 99 Thời gian truyền dẫn (TTI) được xác định là 2ms (3 khe) nhằm giảm thiểu độ trễ giữa thiết bị đầu cuối và Node B TTI 2ms của HS-DSCH ngắn hơn nhiều so với các khoảng thời gian truyền dẫn 10, 20, 40 hay 80 của Release 99.
99 Thêm một sự phối hợp điều chế bậc cao hơn, 16 QAM và mã hóa dƣ thừa ít hơn đã làm tăng tốc độ dữ liệu đỉnh lên tức thời Theo quan điểm miền mã hóa, SF là cố định; luôn là 16, và truyền dẫn đa mã cũng nhƣ ghép kênh mã của những người sử dụng khác nhau có thể xảy ra Số lượng mã tối đa có thể được cấp là 15, nhƣng phụ thuộc vào khả năng của thiết bị đầu cuối, các thiết bị đầu cuối cá nhân có thể nhận giá trị tối đa là 5, 10 hay 15 mã (trong thực tế chúng ta có thể thấy các thiết bị usb 3g hỗ trợ 3,6 Mbps; 7,2 Mbps hay cao hơn tùy vào giá thành và công nghệ) Tổng số các mã kênh với hệ số trải phổ 16 tương ứng là 16 (dưới cùng một mã xáo trộn), nhƣng cần phải có một không gian mã để cho các kênh khác, các kênh HS-SCCH và DCH liên quan, số mã tối đa vì vậy đƣợc đặt là 15 Một kịch bản đơn giản được minh họa trong hình 4.1, nơi mà hai người dùng đang sử dụng cùng một HS-DSCH Cả hai người sử dụng kiểm tra các thông tin từ các HS-SCCH để quyết định những mã HS-DSCH dùng để giải trải phổ cũng nhƣ những tham số cần thiết để phát hiện chính xác
Hình 3.15 Ví dụ đa mã với hai người sử dụng
Trong Release 99, 16 QAM được giới thiệu nhằm bổ sung cho điều chế QPSK Mặc dù trong giai đoạn nghiên cứu khả thi đã xem xét 8 PSK và 64 QAM, nhưng các phương án này cuối cùng bị loại bỏ do vấn đề hiệu suất và độ phức tạp.
Chòm sao 16 QAM, như mô tả trong hình 4.2, có tốc độ gấp đôi so với QPSK, cho phép đạt tốc độ đỉnh lên đến 10 Mbps với 15 mã của hệ số trải phổ 16 Tuy nhiên, việc sử dụng điều chế bậc cao trong môi trường vô tuyến di động có những chi phí nhất định Đối với các kênh Release 99, chỉ cần một ước lượng pha cho quá trình giải điều chế Khi sử dụng 16 QAM, ước lượng biên độ cần thiết để phân tách các điểm chòm sao trở nên quan trọng hơn, đồng thời thông tin pha cũng cần chính xác hơn do khoảng cách giữa các điểm chòm sao nhỏ hơn so với QPSK Thiết bị đầu cuối hỗ trợ HS-DSCH cần có khả năng ước tính tỉ lệ biên độ tương đối với mức năng lượng hoa tiêu Điều này yêu cầu Node B không điều chỉnh năng lượng HS-DSCH giữa các khe khi 16 QAM được sử dụng trong khung, nếu không, hiệu suất sẽ giảm và tính hợp lệ của ước lượng biên độ từ kênh hoa tiêu chung (CPICH) cùng với sự khác biệt năng lượng giữa các CPICH và HS-DSCH sẽ không còn giá trị.
Hình 3.16 Chòm sao QPSK và 16 QAM
3.5.1.2 Mã hóa kênh HS-DSCH
Mã hóa kênh HS-DSCH được đơn giản hóa so với Release 99, với chỉ một kênh vận chuyển và loại bỏ các khối ghép kênh cho người sử dụng giống nhau Hoán vị chỉ diễn ra trong 2ms mà không phân biệt intra-frame hay inter-frame, và mã turbo là mã duy nhất được sử dụng Thay đổi kích thước khối truyền dẫn và sơ đồ điều chế số đa mã cho phép sử dụng các mã khác với tỉ lệ 1/3, làm cho tốc độ mã có hiệu quả có thể thay đổi từ 1/4 đến 3/4 Sự điều chỉnh tỉ lệ mã tăng số lượng bit trên mỗi mã trong khi giảm chi phí mã hóa Một điểm khác biệt quan trọng là bổ sung chức năng HARQ Khi sử dụng QPSK, bộ trộn kênh của Release 99 được áp dụng, trong khi 16 QAM sử dụng bộ trộn hai kênh song song Node B có khả năng HSDPA sẽ chọn định dạng truyền dẫn, điều chế và số mã hóa dựa trên thông tin từ bộ lập lịch Node B.
Hình 3.17 Sơ đồ mã hóa kênh HS-DSCH
Chức năng HARQ được thực hiện qua hai giai đoạn, như mô tả trong hình 3.18, với một bộ đệm ảo giữa các tầng thích ứng tốc độ Thực tế, quá trình thích ứng tốc độ chỉ bao gồm một khối rate-matching mà không có bộ đệm sau tầng đầu tiên HARQ có hai phương pháp truyền khác nhau: kết hợp theo đuổi (transmission identical) và kết hợp mềm Trong trường hợp truyền lại, quá trình có thể khác nhau với các tham số khác nhau, được gọi là phương pháp tăng độ dư, trong đó lần truyền đầu tiên chứa các bit hệ thống và lần truyền thứ hai chỉ chứa các bit dư thừa Mặc dù phương pháp thứ hai có hiệu suất cao hơn, nhưng yêu cầu bộ nhớ lớn hơn ở máy thu.
Các yêu cầu về bộ nhớ mặc định của thiết bị đầu cuối cần phải thực hiện dựa trên tính năng kết hợp mềm và tốc độ dữ liệu tối đa mà thiết bị hỗ trợ Ở tốc độ dữ liệu cao nhất, chỉ có kết hợp mềm mới có thể áp dụng, trong khi phương pháp tăng độ dư chỉ khả thi ở các tốc độ thấp hơn.
65 nhiên với công nghệ phát triển nhƣ hiện nay thì yêu cầu về bộ nhớ đệm và tốc độ tính toán không còn là trở ngại
Với 16 QAM, các bit khác nhau đƣợc ánh xạ tới các symbol 16 QAM có độ tin cậy khác nhau Điều này đƣợc bù trừ trong kết nối với tiến trình ARQ với phương thức được gọi là sắp xếp lại chòm sao, những lần truyền lại khác nhau sử dụng ánh xạ các bit lên các symbol 16 QAM khác nhau một chút để tăng hiệu năng
3.5.1.3 So sánh HS-DSCH và các kiểu kênh đường xuống khác với kiểu dữ liệu gói
Bảng 3.2 so sánh các kiểu kênh khác nhau liên quan đến các thuộc tính vật lý quan trọng Ngoại trừ DCH, dữ liệu gói không hoạt động trong chuyển giao mềm Hoạt động HARQ với HS-DSCH sẽ diễn ra ở cấp độ RLC nếu bộ đếm ARQ lớp vật lý hoặc số lần tối đa truyền lại bị vượt quá.
Bảng 3.2 So sánh các loại kênh khác nhau
Kênh HS-DSCH Đường xuống DCH FACH
SF Cố định, 16 Cố định, (512-4) Cố định, (256-4) Điều chế QPSK/16QAM QPSK QPSK
Cố định/cài đặt công suất thấp
Nhanh 1500 kHz Cố định/cài đặt công suất thấp
HARQ Kết hợp gói ở L1 Cấp độ RLC Cấp độ RLC
Hoán vị 2 ms 10-80 ms 10-80 ms
Mã Turbo Mã Turbo và mã
Mã Turbo và mã Xoắn
Ghép kênh vận tải Không Có Có
Chuyển giao mềm Cho liên kết DCH Có Không
Bao gồm trong đặc tả
3.5.2 Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao (HS-SCCH)
HS-SCCH cung cấp thông tin cần thiết cho việc điều chế HS-DSCH trong dịch vụ viễn thông di động toàn cầu (UMTS) và mạng truy nhập vô tuyến mặt đất (UTRAN) Số lượng HS-SCCH được phân bổ tương ứng với số người sử dụng tối đa sẽ được mã hóa-ghép kênh Nếu không có dữ liệu trên HS-DSCH, việc truyền HS-SCCH sẽ không cần thiết Mặc dù có thể có nhiều HS-SCCH được giao từ điểm mạng lưới, mỗi thiết bị chỉ cần tối đa bốn HS-SCCH tại thời điểm gửi HS-SCCH được xem như tín hiệu từ mạng đến thiết bị đầu cuối, và việc cần nhiều hơn bốn HS-SCCH là hiếm khi xảy ra Tuy nhiên, việc sử dụng hơn một HS-SCCH có thể cần thiết để tối ưu hóa việc khớp mã cho thiết bị đầu cuối trong giới hạn dung lượng của HSDPA.
Mỗi khối HS-SCCH bao gồm ba khe thời gian, được chia thành hai phần chức năng Khe đầu tiên cung cấp thông tin thời gian quyết định (critical-time) để khởi động quá trình giải điều chế, giúp tránh tình trạng tràn bộ đệm ở cấp độ chip Hai khe thời gian còn lại chứa các tham số thời gian quyết định, bao gồm một CRC (kiểm tra độ dư vòng) để xác minh độ chính xác của thông tin HS-SCCH và thông tin tiến trình HARQ Để đảm bảo bảo vệ, cả hai phần của HS-SCCH đều sử dụng mặt nạ đặc.
67 trƣng đầu cuối cho phép thiết bị đầu cuối quyết định xem các kênh điều khiển đƣợc phát hiện thì dành cho thiết bị đầu cuối nào
HS-SCCH sử dụng hệ số trải phổ 128, cung cấp 40 bit mỗi khe thời gian sau khi mã hóa kênh Do không có hoa tiêu hay bít điều khiển công suất truyền (TPC) trên HS-SCCH, mã xoắn nửa tốc độ được áp dụng cho cả hai phần Mỗi phần được mã hóa và phân cách bởi thông tin thời gian, với yêu cầu có sẵn ngay sau khe thời gian đầu tiên, điều này làm cho hai phần không thể xen kẽ với nhau.
Các tham số phần thứ nhất của HS-SCCH cho thấy những điều sau đây:
- Các mã giải trải phổ Điều này cũng liên quan đến khả năng thiết bị đầu cuối hiện tại có thể giải tối đa 5, 10 hay 15 mã
- Điều chế đƣợc sử dụng là QPSK hay 16 QAM
Các tham số phần thứ hai của HS-SCCH cho thấy :
- Thông tin phiên bản dƣ thừa cho phép giải điều chế và kết hợp với các lần truyền trước
- Số tiến trình ARQ cho thấy tiến trình ARQ nào thuộc về dữ liệu nào
Kết luận chương
HSPA là công nghệ tăng cường cho 3G WCDMA còn được gọi là 3G+ hay 3,5G
Là một công nghệ đem lại tốc độ vƣợt trội so với các công nghệ di động trước đây
HSDPA đƣa vào một loạt các kỹ thuật mới thay thế trong WCDMA để đạt tốc độ và hiệu suất cao
Các cải tiến của HSDPA đƣợc tiến hành chủ yếu ở lớp vật lý và thêm vào một lớp MAC-hs để giảm độ trễ
